迁移学习：互信息的变分上下界

1 导引

在机器学习，尤其是涉及异构数据的迁移学习/联邦学习中，我们常常会涉及互信息相关的优化项，我研一下期的处女作（发在SDM'24上）也是致力于此（ArXiv论文链接：FedDCSR，GitHub源码链接：FedDCSR）。其思想虽然简单，但其具体的估计与优化手段而言却大有门道，我们今天来好好总结一下，也算是对我研一的一个收尾。

我们知道，随机变量\(X\)和\(Y\)的互信息定义为其联合分布（joint）\(p(x, y)\)和其边缘分布（marginal）的乘积\(p(x)p(y)\)之间的KL散度（相对熵）^[1]：

\[\begin{aligned} I(X ; Y) &= D_{\text{KL}}\left(p(x, y) \parallel p(x)p(y)\right) \\ &=\mathbb{E}_{p(x, y)}\left[\log \frac{p(x, y)}{p(x)p(y)}\right] \end{aligned} \tag{1} \]

直观地理解，互信息表示一个随机变量包含另一个随机变量信息量（即统计依赖性）的度量；同时，互信息也是在给定另一随机变量知识的条件下，原随机变量不确定度的缩减量，即\(I(X; Y) = H(X) - H(X \mid Y) = H(Y) - H(Y\mid X)\)。当\(X\)和\(Y\)一一对应时，\(I(X; Y) = H(X) = H(Y)\)；当\(X\)和\(Y\)相互独立时\(I(X; Y)=0\)。

在机器学习的情境下，联合分布\(p(x, y)\)一般是未知的，因此我们需要用贝叶斯公式将其继续转换为如下形式：

\[\begin{aligned} I(X ; Y) &\overset{(1)}{=}\mathbb{E}_{p(x, y)}\left[\log \frac{p(x \mid y)}{p(x)}\right] \overset{(2)}{=}\mathbb{E}_{p(x, y)}\left[\log \frac{p(y \mid x)}{p(y)}\right] \end{aligned} \tag{2} \]

那么转换为这种形式之后，我们是否就可以开始对其进行估计了呢？答案是否定的。我们假设现在是深度表征学习场景，\(X\)是数据，\(Y\)是数据的随机表征，则对于第\((1)\)种形式来说，条件概率分布\(p(x|y)=\frac{p (y|x)p(x)}{\int p(y|x)p(x)dx}\)是难解（intractable）的（由于\(p(x)\)未知）；而对于第\((2)\)种形式而言，边缘分布\(p(y)\)也需要通过积分\(p(y)=\int p(y \mid x)p(x)d x\)来进行计算，而这也是难解的（由于\(p(x)\)未知）。为了解决互信息估计的的难解性，我们的方法是不直接对互信息进行估计，而是采用变分近似的手段，来得出互信息的下界/上界做为近似，转而对互信息的下界/上界进行最大化/最小化^[2]。

2 互信息的变分下界（对应最大化）

我们先来看互信息的变分下界。我们常常通过最大化互信息的下界来近似地对其进行最大化。具体而言，按照是否需要解码器，我们可以将互信息的下界分为两类，分别对应变分信息瓶颈（解码项）^[3][4]和Deep InfoMax^[5][6]这两种方法。

2.1 数据VS表征：变分信息瓶颈（解码项）

对于互信息的第\((1)\)种表示法即\(I(X ; Y){=}\mathbb{E}_{p(x, y)}\left[\log \frac{p(x \mid y)}{p(x)}\right]\)，我们已经知道条件分布\(p(x|y)\)是难解的，那么我们就采用变分分布\(q(x|y)\)将其转变为可解（tractable）的优化问题。这样就可以导出互信息的Barber & Agakov下界（由于KL散度的非负性）：

\[\begin{aligned} I(X ; Y)= & \mathbb{E}_{p(x, y)}\left[\log \frac{q(x \mid y)}{p(x)}\right]+\mathbb{E}_{p(y)}\left[D_{\text{K L}}(p(x \mid y) \mid q(x \mid y))\right] \\ \geq & \mathbb{E}_{p(x, y)}[\log q(x \mid y)]+H(X) \triangleq I_{\mathrm{BA}}, \end{aligned} \tag{3} \]

这里\(H(X)\)是\(X\)的微分熵，BA是论文^[7]两位作者名字的缩写。当\(q(x|y)=p(x|y)\)时，该下界是紧的，此时上式的第一项就等于条件熵\(H(X|Y)\)。

上式可不可解取决于微分熵\(H(X)\)是否已知。幸运的是，限定在 \(X\)是数据，\(Y\)是表征 的场景下，\(H(X)=\mathbb{E}_{x\sim p(x)} \log p(x)\)仅涉及数据生成过程，和模型无关。这意味着我们只需要最大化\(I_{\text{BA}}\)的第一项，而这可以理解为最小化VAE中的重构误差（失真，distortion）。此时，\(I_{\text{BA}}\)的梯度就与“编码器”\(p(y|x)\)和变分“解码器”\(q(x|y)\)相关，而这是易于计算的。因此，我们就可以使用该目标函数来学习一个最大化\(I(X; Y)\)的编码器\(p(y|x)\)，这就是大名鼎鼎的变分信息瓶颈（variational information bottleneck） 的思想（对应其中的解码项部分）。

2.2 表征VS表征：Deep Infomax

我们在 2.1 中介绍的方法虽然简单好用，但是需要构建一个易于计算的解码器\(q(x|y)\)，这在\(X\)是数据，\(Y\)是表征的时候非常容易，然而当 \(X\)和\(Y\)都是表征 的时候就直接寄了，首先是因为解码器\(q(x|y)\)是难以计算的，其次微分熵\(H(X)\)也是未知的。为了导出不需要解码器的可解下界，我们转向去思考\(q(x|y)\)变分族的的非标准化分布（unnormalized distributions）。

我们选择一个基于能量的变分族，它使用一个判别函数/网络（critic）\(f(x, y): \mathcal{X} \times \mathcal{Y}\rightarrow \mathbb{R}\)，并经由数据密度\(p(x)\)缩放：

\[q(x \mid y)=\frac{p(x)}{Z(y)} e^{f(x, y)}, \text { where } Z(y)=\mathbb{E}_{p(x)}\left[e^{f(x, y)}\right]\tag{4} \]

我们将该分布代入公式\((3)\)中的\(I_{\text{BA}}\)中，就导出了另一个互信息的下界，我们将其称为UBA下界（记作\(I_{\text{UBA}}\)），可视为Barber & Agakov下界的非标准化版本（Unnormalized version）：

\[\mathbb{E}_{p(x, y)}[f(x, y)]-\mathbb{E}_{p(y)}[\log Z(y)] \triangleq I_{\mathrm{UBA}} \tag{5} \]

当\(f(x, y)=\log p(y|x) + c(y)\)时，该上界是紧的，这里\(c(y)\)仅仅是关于\(y\)的函数（而非\(x\)）。注意在代入过程中难解的微分熵\(H(X)\)被消掉了，但我们仍然剩下一个难解的\(\log\)配分函数\(\log Z(y)\)，它妨碍了我们计算梯度与评估。如果我们对\(\mathbb{E}_{p(y)}[\log Z(y)]\)这个整体应用Jensen不等式（\(\log\)为凹函数），我们能进一步导出式\((5)\)的下界，即大名鼎鼎的Donsker & Varadhan下界^[7]：

\[I_{\mathrm{UBA}} \geq \mathbb{E}_{p(x, y)}[f(x, y)]-\log \mathbb{E}_{p(y)}[Z(y)] \triangleq I_{\mathrm{DV}} \tag{6} \]

然而，该目标函数仍然是难解的。接下来我们换个角度，我们不对\(\mathbb{E}_{p(y)}[\log Z(y)]\)这个整体应用Jensen不等式，而考虑对里面的\(\log Z(y)\)应用Jensen不等式即\(\log Z(y)=\log \mathbb{E}_{p(x)}\left[e^{f(x, y)}\right]\geq\mathbb{E}_{p(x)}\left[\log e^{f(x, y)}\right]=\mathbb{E}_{p(x)}\left[f(x, y)\right]\)，那么我们就可以导出式\((5)\)的上界来对其进行近似：

\[I_{\mathrm{UBA}} \leq \mathbb{E}_{p(x, y)}[f(x, y)]-\mathbb{E}_{p(x)p(y)}\left[f(x, y)\right]\triangleq I_{\mathrm{MINE}} \tag{7} \]

然而式\((5)\)本身做为互信息的下界而存在，因此\(I_{\text{MINE}}\)严格意义上讲既不是互信息的上界也不是互信息的下界。不过这种方法可视为采用期望的蒙特卡洛近似来评估\(I_{\text{DV}}\)，也就是作为互信息下界的无偏估计。已经有工作证明了这种嵌套蒙特卡洛估计器的收敛性和渐进一致性，但并没有给出在有限样本下的成立的界^[8][9]。

在\(I_{\text{MINE}}\)思想的基础之上，论文Deep Infomax^[6]又向前推进了一步，认为我们无需死抱着信息的KL散度形式不放，可以大胆采用非KL散度的形式。事实上，我们主要感兴趣的是最大化互信息，而不关心它的精确值，于是采用非KL散度形式可以为我们提供有利的trade-off。比如我们就可以基于\(p(x, y)\)与\(p(x)p(y)\)的Jensen-Shannon散度（JSD），来定义如下的JS互信息估计器：

\[ I_{\text{JSD}} \triangleq \mathbb{E}_{p(x, y)}\left[-\operatorname{sp}\left(-f\left(x, y\right)\right)\right]-\mathbb{E}_{p(x^{\prime})p(y)}\left[\operatorname{sp}\left(f\left(x^{\prime}, y\right)\right)\right]， \tag{8} \]

这里\(x\)是输入样本，\(x\prime\)是采自\(p(x^{\prime}) = p(x)\)的负样本，\(\text{sp}(z) = \log (1+e^x)\)是\(\text{softplus}\)函数。这里判别网络\(f\)被优化来能够区分来自联合分布的样本对（正样本对）和来自边缘乘积分布的样本对（负样本对）。

此外，噪声对比估计(NCE)^[10]做为最先被采用的互信息下界（被称为“InfoNCE”），也可以用于互信息最大化：

\[I(X; Y)\geq \mathbb{E}_{p(x, y)}\left[f\left(x, y\right)-\mathbb{E}_{p(x^{\prime})}\left[\log \sum_{x^{\prime}} e^{f\left(x^{\prime}, y\right)}\right]\right]\triangleq I_{\text{InfoNCE}} \tag{9} \]

对于Deep Infomax而言，\(I_{\text{JSD}}\)和\(I_{\text{InfoNCE}}\)形式的之间差别在于负样本分布\(p(x^{\prime})\)的期望是套在正样本分布\(p(x, y)\)期望的里面还是外面，而这个差别就意味着对于\(\text{DV}\)和\(\text{JSD}\)而言一个正样本只需要一个负样本，但对于\(\text{InfoNCE}\)而言就是一个正样本就需要\(N\)个负样本（\(N\)为batch size）。此外，也有论文^[6]分析证明了\(I_{\text{JSD}}\)对负样本的数量不敏感，而\(I_{\text{InfoNCE}}\)的表现会随着负样本的减少而下降。

3 互信息的变分上界（对应最小化）

我们接下来来看互信息的变分上界。我们常常通过最小化互信息的上界来近似地对互信息进行最小化。具体而言，按照是否需要编码器，我们可以将互信息的下界分为两类，而这两个类别分别就对应了变分信息瓶颈的编码项^[4]和解耦表征学习^[11]。

3.1 数据VS表征：变分信息瓶颈（编码项）

对于互信息的第\((2)\)种表示法即\(I(X ; Y){=}\mathbb{E}_{p(x, y)}\left[\log \frac{p(y \mid x)}{p(y)}\right]\)，我们已经知道边缘分布\(p(y)=\int p(y \mid x)p(x)d x\)是难解的。但是限定在 \(X\)是数据，\(Y\)是表征 的场景下，我们能够通过引入一个变分近似\(q(y)\)来构建一个可解的变分上界：

\[\begin{aligned} I(X ; Y) & \equiv \mathbb{E}_{p(x, y)}\left[\log \frac{p(y \mid x)}{p(y)}\right] \\ & \overset{(1)}{=}\mathbb{E}_{p(x, y)}\left[\log \frac{p(y \mid x) q(y)}{q(y) p(y)}\right] \\ & \overset{(2)}{=}\mathbb{E}_{p(x, y)}\left[\log \frac{p(y \mid x)}{q(y)}\right]-D_{\text{K L}}(p(y) \| q(y)) \\ & \overset{(3)}{\leq} \mathbb{E}_{p(x)}\left[D_{\text{K L}}(p(y \mid x) \| q(y))\right] \triangleq R, \end{aligned} \tag{10} \]

注意上面的\((1)\)是分子分母同时乘以\(q(y)\)；\((2)\)是单独配凑出KL散度；\((3)\)是利用KL散度的非负性（证明变分上下界的常用技巧）。最后得到的这个上界我们在生成模型在常常被称为Rate^[12]（也就是率失真理论里的那个率），故这里记为\(R\)。当\(q(y)=p(y)\)时该上界是紧的，且该上界要求\(\log q(y)\)是易于计算的。该变分上界经常在深度生成模型（如VAE）^[13][14] 被用来限制随机表征的容量。在变分信息瓶颈^[4]这篇论文中，该上界被用于防止表征携带更多与输入有关，但却和下游分类任务无关的信息（即对应其中的编码项部分）。

3.2 表征VS表征：解耦表征学习

上面介绍的方法需要构建一个易于计算的编码器\(p(y|x)\)，但应用场景也仅限于在\(X\)是数据，\(Y\)是表征的情况下，当 \(X\)和\(Y\)都是表征 的时候（即对应解耦表征学习的场景）也会遇到我们在2.2中所面临的问题，从而不能够使用了。那么我们能不能效仿2.2中的做法，对导出的\(I_{\text{JSD}}\)和\(I_{\text{InfoNCE}}\)加个负号，从而将互信息最大化转换为互信息最小化呢？当然可以但是效果不会太好。因为对于两个分布而言，拉近它们距离的结果是确定可控的，但直接推远它们距离的结果就是不可控的了——我们无法掌控这两个分布推远之后的具体形态，导致任务的整体表现受到负面影响。那么有没有更好的办法呢？

我们退一步思考：最小化互信息\(I(X; Y)\)的难点在于\(X\)和\(Y\)都是随机表征，那么我们可以尝试引入数据随机变量\(D\)，使得互信息\(I(X; Y)\)可以进一步拆分为\(D\)和\(X\)、\(Y\)之间的互信息（如\(I(D; X)\)以及\(I(D; Y)\)。已知三个随机变量的互信息（称之为Interation information^[1]）的定义如下：

\[\begin{aligned} I(X ; Y ; D)&\overset{(1)}{=}I(X ; Y)-I(X ; Y \mid D)\\ &\overset{(2)}{=}I(X ; D)-I(X ; D \mid Y)\\ &\overset{(3)}{=}I(Y ; D)-I(Y ; D \mid X) \end{aligned} \tag{11} \]

联立上述的等式\((1)\)和等式\((2)\)，我们有：

\[ I(X ; Y) = I(X; D) - I (X ; D \mid Y) + I(X; Y \mid D) \tag{12} \]

对解耦表征学习而言，在概率图模型中的结构化假设（V型结构）中\(X\)和\(Y\)共同为\(D\)的潜在因子，而\(X\)和\(Y\)互不影响（详情可参见论文^[11]）。\(X\)，\(Y\)和\(D\)对应的结构化概率关系如下图所示：

反映在后验概率上即表征后验分布\(q\)满足\(q\left(X \mid D\right)=q\left(X \mid D, Y\right)\)，因此上述等式的最后一项就消失了：

\[\begin{aligned} I\left(X ; Y \mid D\right) &= H\left(X \mid D\right)-H\left(X \mid D, Y\right)\\ &=H\left(X \mid D\right)-H\left(X \mid D\right)=0 \end{aligned} \tag{13} \]

这样我们就有：

\[\begin{aligned} I\left(X ; Y\right) &\overset{(1)}{=}I\left(D; X\right)-I\left(D ; X \mid Y\right) \\ & \overset{(2)}{=}I\left(D ; X\right)+I\left(D ; Y\right)-I\left(D ; X, Y\right) \end{aligned} \tag{14} \]

上述的\((1)\)是由于\(I(X; Y \mid D)=0\)，\((2)\)是由于互信息的链式法则即\(I(D; X, Y)=I(D; Y) + I(D; X \mid Y)\)。

对\(I(X; Y)\)等价变换至此，真相已经逐渐浮出水面：我们可以可以通过最小化\(I\left(D ; X\right)\)、\(I\left(D ; Y\right)\)，最大化\(I\left(D ; X, Y\right)\)来完成对\(I(X; Y)\)的最小化。其直观的物理意义也就是惩罚表征\(X\)和\(Y\)中涵盖的总信息，并使得\(X\)和\(Y\)共同和数据\(D\)相关联。

基于我们在\(3.1\)、\(2.1\)中所推导的\(I(D; X)\)、\(I(D; Y)\)的变分上界与\(I(D; X, Y)\)的变分下界，我们就得到了\(I(X; Y)\)的变分上界：

\[\begin{aligned} I\left(X ; Y\right) &\leq \mathbb{E}_{p(D)}\left[D_{\text{K L}}(q(x \mid D) \| p(x)) + D_{\text{K L}}(q(y \mid D) \| p(y))\right] \\ &+ \mathbb{E}_{p(D)}\left[\mathbb{E}_{q(x | D)q(y|D)}[\log p(D \mid x, y)]\right] \end{aligned} \tag{15} \]

直观地看，上式地物理意义为使后验\(q(x\mid D)\)、\(q(y\mid D)\)都趋近于各自的先验分布（一般取高斯分布），并减小\(X\)和\(Y\)对\(D\)的重构误差，直觉上确实符合表征解耦的目标。

4 总结

总结起来，互信息的所有上下界可以表示为下图^[2]（包括我们前面提到的\(I_{\text{BA}}\)、\(I_{\text{UBA}}\)、\(I_{\text{DV}}\)、\(I_{\text{MINE}}\)、\(I_{\text{InfoNCE}}\)等）：

图中节点的代表了它们估计与优化的易处理性：绿色的界表示易估计也易于优化，黄色的界表示易于优化但不易于估计，红色的界表示既不易于优化也不易于估计。孩子节点通过引入新的近似或假设来从父亲节点导出。

参考

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