We study the unbalanced optimal transport (UOT) problem, where the marginal constraints are enforced using Maximum Mean Discrepancy (MMD) regularization. Our study is motivated by the observation that existing works on UOT have mainly focused on regularization based on $\phi$-divergence (e.g., KL). The role of MMD, which belongs to the complementary family of integral probability metrics (IPMs), as a regularizer in the context of UOT seems to be less understood. Our main result is based on Fenchel duality, using which we are able to study the properties of MMD-regularized UOT (MMD-UOT). One interesting outcome of this duality result is that MMD-UOT induces a novel metric over measures, which again belongs to the IPM family. Further, we present finite-sample-based convex programs for estimating MMD-UOT and the corresponding barycenter. Under mild conditions, we prove that our convex-program-based estimators are consistent, and the estimation error decays at a rate $\mathcal{O}\left(m^{-\frac{1}{2}}\right)$, where $m$ is the number of samples from the source/target measures. Finally, we discuss how these convex programs can be solved efficiently using (accelerated) projected gradient descent. We conduct diverse experiments to show that MMD-UOT is a promising alternative to $\phi$-divergence-regularized UOT in machine learning applications.


翻译:我们研究了不平衡最优输运(UOT)问题,其中采用最大均值差异(MMD)规范来实施边际约束。我们的研究动机在于观察到,现有的UOT作品主要集中在基于$\phi$-散度(例如KL)的规范化上。作为一种规范器,在UOT背景下MMD所起的作用似乎不太被理解。我们的主要结果基于Fenchel对偶性,利用该结果我们能够研究MMD规范化UOT(MMD-UOT)的性质。这个对偶结果的一个有趣的结果是,MMD-UOT诱导了一种关于度量的新型度量,同样属于积分概率度量(IPM)家族。此外,我们提出了基于有限样本的凸规划,用于估计MMD-UOT及其相应的重心。在温和条件下,我们证明了我们的凸规划估计量是一致的,并且估计误差以$\mathcal{O}\left(m^{-\frac{1}{2}}\right)$的速率衰减,其中$m$是来自源/目标量度的样本数量。最后,我们讨论了如何使用(加速的)投影梯度下降有效地求解这些凸规划。我们进行了各种实验,以展示MMD-UOT在机器学习应用中是一种有前途的$\phi$-散度规范化UOT的替代品。

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