Deterministic Variational Inference for Robust Bayesian Neural Networks

计算机科学 贝叶斯定理 推论 初始化 人工神经网络 人工智能 机器学习 贝叶斯概率 贝叶斯推理 异方差 程序设计语言
作者
Anqi Wu,Sebastian Nowozin,Edward Meeds,Richard E. Turner,José Miguel Hernández-Lobato,Alexander L. Gaunt
出处
期刊:Cornell University - arXiv [Cornell University]
被引量:122
标识
DOI:10.17863/cam.50684
摘要

Bayesian neural networks (BNNs) hold great promise as a flexible and principled solution to deal with uncertainty when learning from finite data. Among approaches to realize probabilistic inference in deep neural networks, variational Bayes (VB) is theoretically grounded, generally applicable, and computationally efficient. With wide recognition of potential advantages, why is it that variational Bayes has seen very limited practical use for BNNs in real applications? We argue that variational inference in neural networks is fragile: successful implementations require careful initialization and tuning of prior variances, as well as controlling the variance of Monte Carlo gradient estimates. We provide two innovations that aim to turn VB into a robust inference tool for Bayesian neural networks: first, we introduce a novel deterministic method to approximate moments in neural networks, eliminating gradient variance; second, we introduce a hierarchical prior for parameters and a novel Empirical Bayes procedure for automatically selecting prior variances. Combining these two innovations, the resulting method is highly efficient and robust. On the application of heteroscedastic regression we demonstrate good predictive performance over alternative approaches.

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