We present a static analysis for discovering differentiable or more generally smooth parts of a given probabilistic program, and show how the analysis can be used to improve the pathwise gradient estimator, one of the most popular methods for posterior inference and model learning. Our improvement increases the scope of the estimator from differentiable models to non-differentiable ones without requiring manual intervention of the user; the improved estimator automatically identifies differentiable parts of a given probabilistic program using our static analysis, and applies the pathwise gradient estimator to the identified parts while using a more general but less efficient estimator, called score estimator, for the rest of the program. Our analysis has a surprisingly subtle soundness argument, partly due to the misbehaviours of some target smoothness properties when viewed from the perspective of program analysis designers. For instance, some smoothness properties are not preserved by function composition, and this makes it difficult to analyse sequential composition soundly without heavily sacrificing precision. We formulate five assumptions on a target smoothness property, prove the soundness of our analysis under those assumptions, and show that our leading examples satisfy these assumptions. We also show that by using information from our analysis, our improved gradient estimator satisfies an important differentiability requirement and thus, under a mild regularity condition, computes the correct estimate on average, i.e., it returns an unbiased estimate. Our experiments with representative probabilistic programs in the Pyro language show that our static analysis is capable of identifying smooth parts of those programs accurately, and making our improved pathwise gradient estimator exploit all the opportunities for high performance in those programs.


翻译:我们提出静态分析,以发现某个给定的稳妥性程序的不同部分或更一般的平稳部分,并展示如何利用该分析来改进路径性梯度测算仪,这是后推推和模型学习最受欢迎的方法之一。我们的改进将测算器的范围从不同的模型扩大到非差别性模型,而不需要用户人工干预;改进的估测器自动地利用我们的静态分析来确定给定的概率性方案的不同部分,并将路径性梯度估测仪应用于所确定的部分,同时使用更一般但效率较低的估测仪来改进路径性梯度估测仪,称为记分估测仪,这是程序其余部分最受欢迎的方法之一。我们的分析有一个令人惊讶的微妙的微妙论点,部分是因为从程序分析设计师的视角来看,有些目标性测算器的偏顺畅性特性存在错误;例如,一些平稳性能特性没有被功能性组成所保存,因此很难在不严重降低精确精确的精确性的情况下对顺序构成进行分析。我们在目标性测测测测算器上提出了五项假设,在精确性度的精确性评估中,证明我们的准确性测度的精确性计值的精确性数据,在这些测算中也显示了我们的精确性测算的精确性分析中显示了我们的精确性测度,这些测度,在这些测度的测度的测度的测算中,这些测算,在我们的测算中显示了我们的精确性测度,我们测度的测度,在我们的测度的测度的测算中显示了我们的测算过程的测算过程的精确性测度,从而显示了了我们的精确性能,在这些测度,在这些测算中显示了我们的精确性能的测度的测度,在这些测度,在这些测算中,在这些测算中显示了我们的精确性能的测算中,在这些测程中显示了我们的测程的测程中,在我们的测程的测算中显示了我们的测算中显示了我们的精确性能,在这些测算中显示了我们的精确性能的测算和测算中,这些测算中,在这些测算中显示了我们的测算中显示了我们的测算。

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