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计算机科学 > 机器学习

arXiv:2508.03587 (cs)
[提交于 2025年8月5日 ]

标题: 变分自编码器的零方差梯度

标题: Zero-Variance Gradients for Variational Autoencoders

Authors:Zilei Shao, Anji Liu, Guy Van den Broeck
摘要: 训练深度生成模型,如变分自编码器(VAEs),通常受到需要通过潜在变量的随机采样进行梯度反向传播的阻碍,这一过程会固有地引入估计方差,这可能会减缓收敛并降低性能。 在本文中,我们提出了一种新的观点,绕过了这个问题,我们称之为静默梯度。 与其改进随机估计器,我们利用特定的解码器架构来解析地计算期望ELBO,从而得到一个零方差的梯度。 我们首先为这种方法提供了理论基础,并在具有线性解码器的受控环境中展示了其优于现有估计器的优势。 为了将我们的方法推广到使用复杂、富有表现力的解码器的实际应用中,我们引入了一种新的训练动态,该动态在早期阶段使用精确的零方差梯度来指导编码器的训练,随后逐渐过渡到标准的随机估计器。 我们的实验表明,这种技术在多个数据集上 consistently 提高了现有基线模型的性能,包括重参数化、Gumbel-Softmax 和 REINFORCE。 这项工作通过结合解析计算的稳定性与深度非线性架构的表现力,为训练生成模型开辟了一个新方向。
摘要: Training deep generative models like Variational Autoencoders (VAEs) is often hindered by the need to backpropagate gradients through the stochastic sampling of their latent variables, a process that inherently introduces estimation variance, which can slow convergence and degrade performance. In this paper, we propose a new perspective that sidesteps this problem, which we call Silent Gradients. Instead of improving stochastic estimators, we leverage specific decoder architectures to analytically compute the expected ELBO, yielding a gradient with zero variance. We first provide a theoretical foundation for this method and demonstrate its superiority over existing estimators in a controlled setting with a linear decoder. To generalize our approach for practical use with complex, expressive decoders, we introduce a novel training dynamic that uses the exact, zero-variance gradient to guide the early stages of encoder training before annealing to a standard stochastic estimator. Our experiments show that this technique consistently improves the performance of established baselines, including reparameterization, Gumbel-Softmax, and REINFORCE, across multiple datasets. This work opens a new direction for training generative models by combining the stability of analytical computation with the expressiveness of deep, nonlinear architecture.
主题: 机器学习 (cs.LG)
引用方式: arXiv:2508.03587 [cs.LG]
  (或者 arXiv:2508.03587v1 [cs.LG] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.03587
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)

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来自: Zilei Shao [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2025 年 8 月 5 日 15:54:21 UTC (649 KB)
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