TFP 確率的レイヤー: 回帰

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この例では、TFP の「確率的レイヤー」を使用して回帰モデルを適合させる方法を示します。

依存関係と前提条件

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迅速に作成

はじめる前に、このデモで GPU を使用していることを確認します。

[ランタイム] -> [ランタイムタイプの変更] -> [ハードウェアアクセラレータ] -> [GPU] を選択します。

次のスニペットは、GPU にアクセスできることを確認します。

if tf.test.gpu_device_name() != '/device:GPU:0':
  print('WARNING: GPU device not found.')
else:
  print('SUCCESS: Found GPU: {}'.format(tf.test.gpu_device_name()))

WARNING: GPU device not found.

注意: 何らかの理由で GPU にアクセスできない場合でも、このコラボは機能します (トレーニングには時間がかかります)。

目的

TFP を使用して確率モデルを指定し、負の対数尤度を簡単に最小化できたら素晴らしいと思いませんか？

negloglik = lambda y, rv_y: -rv_y.log_prob(y)

このコラボでは（線形回帰問題のコンテキストで）その方法を紹介します。

Synthesize dataset.

ケース 1: 不確実性なし

# Build model.
model = tf.keras.Sequential([
  tf.keras.layers.Dense(1),
  tfp.layers.DistributionLambda(lambda t: tfd.Normal(loc=t, scale=1)),
])

# Do inference.
model.compile(optimizer=tf.optimizers.Adam(learning_rate=0.01), loss=negloglik)
model.fit(x, y, epochs=1000, verbose=False);

# Profit.
[print(np.squeeze(w.numpy())) for w in model.weights];
yhat = model(x_tst)
assert isinstance(yhat, tfd.Distribution)

0.13032457
5.13029

Figure 1: No uncertainty.

png

ケース 2: 偶然性の不確実性

# Build model.
model = tf.keras.Sequential([
  tf.keras.layers.Dense(1 + 1),
  tfp.layers.DistributionLambda(
      lambda t: tfd.Normal(loc=t[..., :1],
                           scale=1e-3 + tf.math.softplus(0.05 * t[...,1:]))),
])

# Do inference.
model.compile(optimizer=tf.optimizers.Adam(learning_rate=0.01), loss=negloglik)
model.fit(x, y, epochs=1000, verbose=False);

# Profit.
[print(np.squeeze(w.numpy())) for w in model.weights];
yhat = model(x_tst)
assert isinstance(yhat, tfd.Distribution)

[0.14738432 0.1815331 ]
[4.4812164 1.2219843]

Figure 2: Aleatoric Uncertainty

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ケース 3: 認識論的不確実性

# Specify the surrogate posterior over `keras.layers.Dense` `kernel` and `bias`.
def posterior_mean_field(kernel_size, bias_size=0, dtype=None):
  n = kernel_size + bias_size
  c = np.log(np.expm1(1.))
  return tf.keras.Sequential([
      tfp.layers.VariableLayer(2 * n, dtype=dtype),
      tfp.layers.DistributionLambda(lambda t: tfd.Independent(
          tfd.Normal(loc=t[..., :n],
                     scale=1e-5 + tf.nn.softplus(c + t[..., n:])),
          reinterpreted_batch_ndims=1)),
  ])

# Specify the prior over `keras.layers.Dense` `kernel` and `bias`.
def prior_trainable(kernel_size, bias_size=0, dtype=None):
  n = kernel_size + bias_size
  return tf.keras.Sequential([
      tfp.layers.VariableLayer(n, dtype=dtype),
      tfp.layers.DistributionLambda(lambda t: tfd.Independent(
          tfd.Normal(loc=t, scale=1),
          reinterpreted_batch_ndims=1)),
  ])

# Build model.
model = tf.keras.Sequential([
  tfp.layers.DenseVariational(1, posterior_mean_field, prior_trainable, kl_weight=1/x.shape[0]),
  tfp.layers.DistributionLambda(lambda t: tfd.Normal(loc=t, scale=1)),
])

# Do inference.
model.compile(optimizer=tf.optimizers.Adam(learning_rate=0.01), loss=negloglik)
model.fit(x, y, epochs=1000, verbose=False);

# Profit.
[print(np.squeeze(w.numpy())) for w in model.weights];
yhat = model(x_tst)
assert isinstance(yhat, tfd.Distribution)

[ 0.1387333  5.125723  -4.112224  -2.2171402]
[0.12476114 5.147452  ]

Figure 3: Epistemic Uncertainty

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ケース 4: 偶然性の不確実性と認識論的不確実性

# Build model.
model = tf.keras.Sequential([
  tfp.layers.DenseVariational(1 + 1, posterior_mean_field, prior_trainable, kl_weight=1/x.shape[0]),
  tfp.layers.DistributionLambda(
      lambda t: tfd.Normal(loc=t[..., :1],
                           scale=1e-3 + tf.math.softplus(0.01 * t[...,1:]))),
])

# Do inference.
model.compile(optimizer=tf.optimizers.Adam(learning_rate=0.01), loss=negloglik)
model.fit(x, y, epochs=1000, verbose=False);

# Profit.
[print(np.squeeze(w.numpy())) for w in model.weights];
yhat = model(x_tst)
assert isinstance(yhat, tfd.Distribution)

[ 0.12753433  2.7504077   5.160624    3.8251898  -3.4283297  -0.8961645
 -2.2378397   0.1496858 ]
[0.14511648 2.7104297  5.1248145  3.7724588 ]

Figure 4: Both Aleatoric & Epistemic Uncertainty

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ケース 5: 関数的不確実性

Custom PSD Kernel

# For numeric stability, set the default floating-point dtype to float64
tf.keras.backend.set_floatx('float64')

# Build model.
num_inducing_points = 40
model = tf.keras.Sequential([
    tf.keras.layers.InputLayer(input_shape=[1]),
    tf.keras.layers.Dense(1, kernel_initializer='ones', use_bias=False),
    tfp.layers.VariationalGaussianProcess(
        num_inducing_points=num_inducing_points,
        kernel_provider=RBFKernelFn(),
        event_shape=[1],
        inducing_index_points_initializer=tf.constant_initializer(
            np.linspace(*x_range, num=num_inducing_points,
                        dtype=x.dtype)[..., np.newaxis]),
        unconstrained_observation_noise_variance_initializer=(
            tf.constant_initializer(np.array(0.54).astype(x.dtype))),
    ),
])

# Do inference.
batch_size = 32
loss = lambda y, rv_y: rv_y.variational_loss(
    y, kl_weight=np.array(batch_size, x.dtype) / x.shape[0])
model.compile(optimizer=tf.optimizers.Adam(learning_rate=0.01), loss=loss)
model.fit(x, y, batch_size=batch_size, epochs=1000, verbose=False)

# Profit.
yhat = model(x_tst)
assert isinstance(yhat, tfd.Distribution)

Figure 5: Functional Uncertainty

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