An obstacle to artificial general intelligence is set by the continual learning of multiple tasks of different nature. Recently, various heuristic tricks, both from machine learning and from neuroscience angles, were proposed, but they lack a unified theory ground. Here, we focus on the continual learning in single-layered and multi-layered neural networks of binary weights. A variational Bayesian learning setting is thus proposed, where the neural network is trained in a field-space, rather than the gradient-ill-defined discrete-weight space, and furthermore, the weight uncertainty is naturally incorporated, and modulates the synaptic resources among tasks. From a physics perspective, we translate the variational continual learning into the Franz-Parisi thermodynamic potential framework, where the previous task knowledge acts as a prior and a reference as well. We thus interprete the continual learning of the binary perceptron in a teacher-student setting as a Franz-Parisi potential computation. The learning performance can then be analytically studied with mean-field order parameters, whose predictions coincide with the numerical experiments using stochastic gradient descent methods. Based on the variational principle and Gaussian field approximation of internal preactivations in hidden layers, we also derive the learning algorithm considering weight uncertainty, which outperforms the current metaplasticity algorithm in continually learning multiple tasks. Our proposed principled frameworks also connect to elastic weight consolidation, and neuroscience inspired metaplasticity, providing a theory-grounded method for the real-world multi-task learning with deep networks.


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