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문제 5 · 변분 추론 (ELBO 유도)

문제 5 — 변분 추론

완전 베이지안 모델의 잠재 변수 및 매개변수가 Z={z1,,zN}, 관측 변수가 X={x1,,xN}으로 주어졌을 때, 변분 추론에 사용되는 ELBO 목적 함수를 유도하고, ELBO 함수의 최댓값을 찾는 것이 어떤 의미를 가지는지 서술하시오.

풀이 및 해설

유도 — 임의의 변분 분포 q(Z)에 대해 로그 주변 가능도를 분해한다.

lnp(X)=lnp(X,Z)dZ=lnq(Z)p(X,Z)q(Z)dZ

옌센 부등식을 적용하거나, 항을 더하고 빼서 정확히 분해하면

lnp(X)=q(Z)lnp(X,Z)q(Z)dZL(q) (ELBO)+(q(Z)lnp(ZX)q(Z)dZ)KL(qp(ZX))

 lnp(X)=L(q)+KL(q(Z)p(ZX)) 

여기서 ELBO(증거 하한, Evidence Lower BOund)는

L(q)=Eq[lnp(X,Z)]Eq[lnq(Z)]

의미KL0이므로 L(q)lnp(X), 즉 ELBO는 로그 증거의 하한이다. 관측이 고정되면 lnp(X)는 상수이므로,

L(q) 최대화KL(qp(ZX)) 최소화

가 된다. 따라서 ELBO를 최대화하는 것은 다루기 어려운 참 사후분포 p(ZX)에 변분 분포 q를 가장 가깝게(KL 기준) 근사하는 것을 의미하며, 동시에 로그 증거에 대한 가장 조인 하한을 얻는 것이다. 이로써 어려운 사후 추론 문제를 최적화 문제로 바꾼다.

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