Entropic Priors for Discrete Probabilistic Networks and for Mixtures of Gaussians Models

The ongoing unprecedented exponential explosion of available computing power, has radically transformed the methods of statistical inference. What used to be a small minority of statisticians advocating for the use of priors and a strict adherence to bayes theorem, it is now becoming the norm across disciplines. The evolutionary direction is now clear. The trend is towards more realistic, flexible and complex likelihoods characterized by an ever increasing number of parameters. This makes the old question of: What should the prior be? to acquire a new central importance in the modern bayesian theory of inference. Entropic priors provide one answer to the problem of prior selection. The general definition of an entropic prior has existed since 1988, but it was not until 1998 that it was found that they provide a new notion of complete ignorance. This paper re-introduces the family of entropic priors as minimizers of mutual information between the data and the parameters, as in [rodriguez98b], but with a small change and a correction. The general formalism is then applied to two large classes of models: Discrete probabilistic networks and univariate finite mixtures of gaussians. It is also shown how to perform inference by efficiently sampling the corresponding posterior distributions.Comment: 24 pages, 3 figures, Presented at MaxEnt2001, APL Johns Hopkins University, August 4-9 2001. See also http://omega.albany.edu:8008

Optimization tools for non-asymptotic statistics in exponential families

Les familles exponentielles sont une classe de modèles omniprésente en statistique. D'une part, elle peut modéliser n'importe quel type de données. En fait la plupart des distributions communes en font partie : Gaussiennes, variables catégoriques, Poisson, Gamma, Wishart, Dirichlet. D'autre part elle est à la base des modèles linéaires généralisés (GLM), une classe de modèles fondamentale en apprentissage automatique. Enfin les mathématiques qui les sous-tendent sont souvent magnifiques, grâce à leur lien avec la dualité convexe et la transformée de Laplace. L'auteur de cette thèse a fréquemment été motivé par cette beauté. Dans cette thèse, nous faisons trois contributions à l'intersection de l'optimisation et des statistiques, qui tournent toutes autour de la famille exponentielle. La première contribution adapte et améliore un algorithme d'optimisation à variance réduite appelé ascension des coordonnées duales stochastique (SDCA), pour entraîner une classe particulière de GLM appelée champ aléatoire conditionnel (CRF). Les CRF sont un des piliers de la prédiction structurée. Les CRF étaient connus pour être difficiles à entraîner jusqu'à la découverte des technique d'optimisation à variance réduite. Notre version améliorée de SDCA obtient des performances favorables comparées à l'état de l'art antérieur et actuel. La deuxième contribution s'intéresse à la découverte causale. Les familles exponentielles sont fréquemment utilisées dans les modèles graphiques, et en particulier dans les modèles graphique causaux. Cette contribution mène l'enquête sur une conjecture spécifique qui a attiré l'attention dans de précédents travaux : les modèles causaux s'adaptent plus rapidement aux perturbations de l'environnement. Nos résultats, obtenus à partir de théorèmes d'optimisation, soutiennent cette hypothèse sous certaines conditions. Mais sous d'autre conditions, nos résultats contredisent cette hypothèse. Cela appelle à une précision de cette hypothèse, ou à une sophistication de notre notion de modèle causal. La troisième contribution s'intéresse à une propriété fondamentale des familles exponentielles. L'une des propriétés les plus séduisantes des familles exponentielles est la forme close de l'estimateur du maximum de vraisemblance (MLE), ou maximum a posteriori (MAP) pour un choix naturel de prior conjugué. Ces deux estimateurs sont utilisés presque partout, souvent sans même y penser. (Combien de fois calcule-t-on une moyenne et une variance pour des données en cloche sans penser au modèle Gaussien sous-jacent ?) Pourtant la littérature actuelle manque de résultats sur la convergence de ces modèles pour des tailles d'échantillons finis, lorsque l'on mesure la qualité de ces modèles avec la divergence de Kullback-Leibler (KL). Pourtant cette divergence est la mesure de différence standard en théorie de l'information. En établissant un parallèle avec l'optimisation, nous faisons quelques pas vers un tel résultat, et nous relevons quelques directions pouvant mener à des progrès, tant en statistiques qu'en optimisation. Ces trois contributions mettent des outil d'optimisation au service des statistiques dans les familles exponentielles : améliorer la vitesse d'apprentissage de GLM de prédiction structurée, caractériser la vitesse d'adaptation de modèles causaux, estimer la vitesse d'apprentissage de modèles omniprésents. En traçant des ponts entre statistiques et optimisation, cette thèse fait progresser notre maîtrise de méthodes fondamentales d'apprentissage automatique.Exponential families are a ubiquitous class of models in statistics. On the one hand, they can model any data type. Actually, the most common distributions are exponential families: Gaussians, categorical, Poisson, Gamma, Wishart, or Dirichlet. On the other hand, they sit at the core of generalized linear models (GLM), a foundational class of models in machine learning. They are also supported by beautiful mathematics thanks to their connection with convex duality and the Laplace transform. This beauty is definitely responsible for the existence of this thesis. In this manuscript, we make three contributions at the intersection of optimization and statistics, all revolving around exponential families. The first contribution adapts and improves a variance reduction optimization algorithm called stochastic dual coordinate ascent (SDCA) to train a particular class of GLM called conditional random fields (CRF). CRF are one of the cornerstones of structured prediction. CRF were notoriously hard to train until the advent of variance reduction techniques, and our improved version of SDCA performs favorably compared to the previous state-of-the-art. The second contribution focuses on causal discovery. Exponential families are widely used in graphical models, and in particular in causal graphical models. This contribution investigates a specific conjecture that gained some traction in previous work: causal models adapt faster to perturbations of the environment. Using results from optimization, we find strong support for this assumption when the perturbation is coming from an intervention on a cause, and support against this assumption when perturbation is coming from an intervention on an effect. These pieces of evidence are calling for a refinement of the conjecture. The third contribution addresses a fundamental property of exponential families. One of the most appealing properties of exponential families is its closed-form maximum likelihood estimate (MLE) and maximum a posteriori (MAP) for a natural choice of conjugate prior. These two estimators are used almost everywhere, often unknowingly -- how often are mean and variance computed for bell-shaped data without thinking about the Gaussian model they underly? Nevertheless, literature to date lacks results on the finite sample convergence property of the information (Kulback-Leibler) divergence between these estimators and the true distribution. Drawing on a parallel with optimization, we take some steps towards such a result, and we highlight directions for progress both in statistics and optimization. These three contributions are all using tools from optimization at the service of statistics in exponential families: improving upon an algorithm to learn GLM, characterizing the adaptation speed of causal models, and estimating the learning speed of ubiquitous models. By tying together optimization and statistics, this thesis is taking a step towards a better understanding of the fundamentals of machine learning

Entropy-based parametric estimation of spike train statistics

We consider the evolution of a network of neurons, focusing on the asymptotic behavior of spikes dynamics instead of membrane potential dynamics. The spike response is not sought as a deterministic response in this context, but as a conditional probability : "Reading out the code" consists of inferring such a probability. This probability is computed from empirical raster plots, by using the framework of thermodynamic formalism in ergodic theory. This gives us a parametric statistical model where the probability has the form of a Gibbs distribution. In this respect, this approach generalizes the seminal and profound work of Schneidman and collaborators. A minimal presentation of the formalism is reviewed here, while a general algorithmic estimation method is proposed yielding fast convergent implementations. It is also made explicit how several spike observables (entropy, rate, synchronizations, correlations) are given in closed-form from the parametric estimation. This paradigm does not only allow us to estimate the spike statistics, given a design choice, but also to compare different models, thus answering comparative questions about the neural code such as : "are correlations (or time synchrony or a given set of spike patterns, ..) significant with respect to rate coding only ?" A numerical validation of the method is proposed and the perspectives regarding spike-train code analysis are also discussed.Comment: 37 pages, 8 figures, submitte

A probabilistic reasoning and learning system based on Bayesian belief networks

SIGLEAvailable from British Library Document Supply Centre- DSC:DX173015 / BLDSC - British Library Document Supply CentreGBUnited Kingdo

Estimation of Distribution Algorithms and Minimum Relative Entropy

In the field of optimization using probabilistic models of the search space, this thesis identifies and elaborates several advancements in which the principles of maximum entropy and minimum relative entropy from information theory are used to estimate a probability distribution. The probability distribution within the search space is represented by a graphical model (factorization, Bayesian network or junction tree). An estimation of distribution algorithm (EDA) is an evolutionary optimization algorithm which uses a graphical model to sample a population within the search space and then estimates a new graphical model from the selected individuals of the population. - So far, the Factorized Distribution Algorithm (FDA) builds a factorization or Bayesian network from a given additive structure of the objective function to be optimized using a greedy algorithm which only considers a subset of the variable dependencies. Important connections can be lost by this method. This thesis presents a heuristic subfunction merge algorithm which is able to consider all dependencies between the variables (as long as the marginal distributions of the model do not become too large). On a 2-D grid structure, this algorithm builds a pentavariate factorization which allows to solve the deceptive grid benchmark problem with a much smaller population size than the conventional factorization. Especially for small population sizes, calculating large marginal distributions from smaller ones using Maximum Entropy and iterative proportional fitting leads to a further improvement. - The second topic is the generalization of graphical models to loopy structures. Using the Bethe-Kikuchi approximation, the loopy graphical model (region graph) can learn the Boltzmann distribution of an objective function by a generalized belief propagation algorithm (GBP). It minimizes the free energy, a notion adopted from statistical physics which is equivalent to the relative entropy to the Boltzmann distribution. Previous attempts to combine the Kikuchi approximation with EDA have relied on an expensive Gibbs sampling procedure for generating a population from this loopy probabilistic model. In this thesis a combination with a factorization is presented which allows more efficient sampling. The free energy is generalized to incorporate the inverse temperature ß. The factorization building algorithm mentioned above can be employed here, too. The dynamics of GBP is investigated, and the method is applied on Ising spin glass ground state search. Small instances (7 x 7) are solved without difficulty. Larger instances (10 x 10 and 15 x 15) do not converge to the true optimum with large ß, but sampling from the factorization can find the optimum with about 1000-10000 sampling attempts, depending on the instance. If GBP does not converge, it can be replaced by a concave-convex procedure which guarantees convergence. - Third, if no probabilistic structure is given for the objective function, a Bayesian network can be learned to capture the dependencies in the population. The relative entropy between the population-induced distribution and the Bayesian network distribution is equivalent to the log-likelihood of the model. The log-likelihood has been generalized to the BIC/MDL score which reduces overfitting by punishing complicated structure of the Bayesian network. A previous information theoretic analysis of BIC/MDL in the context of EDA is continued, and empiric evidence is given that the method is able to learn the correct structure of an objective function, given a sufficiently large population. - Finally, a way to reduce the search space of EDA is presented by combining it with a local search heuristics. The Kernighan Lin hillclimber, known originally for the traveling salesman problem and graph bipartitioning, is generalized to arbitrary binary problems. It can be applied in a stand-alone manner, as an iterative 1+1 search algorithm, or combined with EDA. On the MAXSAT problem it performs in a similar scale to the specialized SAT solver Walksat. An analysis of the Kernighan Lin local optima indicates that the combination with an EDA is favorable. The thesis shows how evolutionary optimization can be improved using interdisciplinary results from information theory, statistics, probability calculus and statistical physics. The principles of information theory for estimating probability distributions are applicable in many areas. EDAs are a good application because an improved estimation affects directly the optimization success.Estimation of Distribution Algorithms und Minimierung der relativen Entropie Im Bereich der Optimierung mit probabilistischen Modellen des Suchraums werden einige Fortschritte identifiziert und herausgearbeitet, in denen die Prinzipien der maximalen Entropie und der minimalen relativen Entropie aus der Informationstheorie verwendet werden, um eine Wahrscheinlichkeitsverteilung zu schätzen. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung im Suchraum wird durch ein graphisches Modell beschrieben (Faktorisierung, Bayessches Netz oder Verbindungsbaum). Ein Estimation of Distribution Algorithm (EDA) ist ein evolutionärer Optimierungsalgorithmus, der mit Hilfe eines graphischen Modells eine Population im Suchraum erzeugt und dann anhand der selektierten Individuen dieser Population ein neues graphisches Modell erzeugt. - Bislang baut der Factorized Distribution Algorithm (FDA) eine Faktorisierung oder ein Bayessches Netz aus einer gegebenen additiven Struktur der Zielfunktion durch einen Greedy-Algorithmus, der nur einen Teil der Verbindungen zwischen den Variablen berücksichtigt. Wichtige verbindungen können durch diese Methode verloren gehen. Diese Arbeit stellt einen heuristischen Subfunktionenverschmelzungsalgorithmus vor, der in der Lage ist, alle Abhängigkeiten zwischen den Variablen zu berücksichtigen (wofern die Randverteilungen des Modells nicht zu groß werden). Auf einem 2D-Gitter erzeugt dieser Algorithmus eine pentavariate Faktorisierung, die es ermöglicht, das Deceptive-Grid-Testproblem mit viel kleinerer Populationsgröße zu lösen als mit der konventionellen Faktorisierung. Insbesondere für kleine Populationsgrößen kann das Ergebnis noch verbessert werden, wenn große Randverteilungen aus kleineren vermittels des Prinzips der maximalen Entropie und des Iterative Proportional Fitting- Algorithmus berechnet werden. - Das zweite Thema ist die Verallgemeinerung graphischer Modelle zu zirkulären Strukturen. Mit der Bethe-Kikuchi-Approximation kann das zirkuläre graphische Modell (der Regionen-Graph) die Boltzmannverteilung einer Zielfunktion durch einen generalisierten Belief Propagation-Algorithmus (GBP) lernen. Er minimiert die freie Energie, eine Größe aus der statistischen Physik, die äquivalent zur relativen Entropie zur Boltzmannverteilung ist. Frühere Versuche, die Kikuchi-Approximation mit EDA zu verbinden, benutzen einen aufwendigen Gibbs-Sampling-Algorithmus, um eine Population aus dem zirkulären Wahrscheinlichkeitsmodell zu erzeugen. In dieser Arbeit wird eine Verbindung mit Faktorisierungen vorgestellt, die effizienteres Sampling erlaubt. Die freie Energie wird um die inverse Temperatur ß erweitert. Der oben erwähnte Algorithmus zur Erzeugung einer Faktorisierung kann auch hier angewendet werden. Die Dynamik von GBP wird untersucht und auf Ising-Modelle angewendet. Kleine Probleme (7 x 7) werden ohne Schwierigkeit gelöst. Größere Probleme (10 x 10 und 15 x 15) konvergieren mit großem ß nicht mehr zum wahren Optimum, aber durch Sampling von der Faktorisierung kann das Optimum bei einer Samplegröße von 1000 bis 10000, je nach Probleminstanz, gefunden werden. Wenn GBP nicht konvergiert, kann es durch eine Konkav-Konvex-Prozedur ersetzt werden, die Konvergenz garantiert. - Drittens kann, wenn für die Zielfunktion keine Struktur gegeben ist, ein Bayessches Netz gelernt werden, um die Abhängigkeiten in der Population zu erfassen. Die relative Entropie zwischen der Populationsverteilung und der Verteilung durch das Bayessche Netz ist äquivalent zur Log-Likelihood des Modells. Diese wurde erweitert zum BIC/MDL-Kriterium, das Überanpassung lindert, indem komplizierte Strukturen bestraft werden. Eine vorangegangene informationstheoretische Analyse von BIC/MDL im EDA-Bereich wird erweitert, und empirisch wird belegt, daß die Methode die korrekte Struktur einer Zielfunktion bei genügend großer Population lernen kann. - Schließlich wird vorgestellt, wie durch eine lokale Suchheuristik der Suchraum von EDA reduziert werden kann. Der Kernighan-Lin-Hillclimber, der ursprünglich für das Problem des Handlungsreisenden und Graphen-Bipartitionierung konzipiert ist, wird für beliebige binäre Probleme erweitert. Er kann allein angewandt werden, als iteratives 1+1-Suchverfahren, oder in Kombination mit EDA. Er löst das MAXSAT-Problem in ähnlicher Größenordnung wie der spezialisierte Hillclimber Walksat. Eine Analyse der lokalen Optima von Kernighan-Lin zeigt, daß die Kombination mit EDA vorteilhaft ist. Die Arbeit zeigt, wie evolutionäre Optimierung verbessert werden kann, indem interdisziplinäre Ergebnisse aus Informationstheorie, Statistik, Wahrscheinlichkeitsrechnung und statistischer Physik eingebracht werden. Die Prinzipien der Informationstheorie zur Schätzung von Wahrscheinlichkeitsverteilungen lassen sich in vielen Bereichen anwenden. EDAs sind eine gute Anwendung, denn eine verbesserte Schätzung beeinflußt direkt den Optimierungserfolg