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변분추론(Variational Inference)

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이번 글에서는 Variational Inference(변분추론, 이하 VI)에 대해 살펴보도록 하겠습니다. 이 글은 전인수 서울대 박사과정이 2017년 12월에 진행한 패스트캠퍼스 강의와 위키피디아 등을 정리했음을 먼저 밝힙니다. 그럼 시작하겠습니다.

concept

VI란 사후확률(posterior) 분포 $p(z$|$x)$를 다루기 쉬운 확률분포 $q(z)$로 근사(approximation)하는 걸 말합니다. 사후확률 분포를 계산하는게 불가능에 가까울 정도로 어려운 경우가 많기 때문입니다. 가령 다음과 같은 경우입니다.

  • marginal probability, 즉 사후확률의 분모인 $p(x)=Σ_zp(x,z)$를 계산하기 힘든 경우
  • likelihood, 즉 $p(x$|$z)$를 더 복잡하게 모델링하고 싶은 경우
  • prior, 즉 $p(z)$를 더 복잡하게 모델링하고 싶은 경우

VI를 도식화한 그림은 아래와 같습니다. 사후확률 분포를 우리가 익히 알고 있는 정규분포로 근사한 케이스입니다.

KL Divergence

사후확률에 근사한 $q(z)$를 만들기 위해 쿨백-라이블러 발산(Kullback-Leibler divergence, 이하 KLD) 개념을 활용합니다. KLD는 두 확률분포의 차이를 계산하는 데 사용하는 함수인데요. 사후확률 분포 $p(z$|$x)$와 $q(z)$ 사이의 KLD를 계산하고, KLD가 줄어드는 쪽으로 $q(z)$를 조금씩 업데이트하는 과정을 반복하면 사후확률을 잘 근사하는 $q^*(z)$를 얻게 될 것이라는 게 VI의 핵심 아이디어입니다. KLD 식을 조금 변형하면 다음과 같이 유도할 수 있습니다.

이후 이 글에서는 동전던지기 예제를 바탕으로 VI를 설명하겠습니다.

conjugate distribution

동전던지기 실험은 이항분포를 따릅니다. 이항분포란 성공확률이 $p$이고, 그 결과가 성공 혹은 실패뿐인 실험을 $n$번 반복시행할 때 성공횟수의 분포를 가리킵니다. 이항분포 파라메터 $p$의 사전확률과 사후확률 모두 베타분포를 따르는데요. 이처럼 사전확률 분포와 사후확률 분포가 같은 가족군으로 묶일 때 그 사후확률/사전확률을 모두 묶어 켤레분포(conjugate distributions)라고 합니다.

$q(z)$를 $α_q$, $β_q$를 파라메터로 하는 베타분포, 앞면이 관측된 수를 $n_h$, 뒷면을 $n_t$로 둡시다. 이를 아래 식에 대입해 풀면 사후확률 분포 $p(z$|$x)$에 가장 잘 근사한 $q(z)$는 $α_q+n_h$, $β_q+n_t$를 파라메터로 하는 베타분포가 된다고 합니다. 이와 관련해서는 이 글, 수식 유도와 관련해서는 위키피디아를 참고하시면 좋을 것 같습니다.

Variational Inference with Monte Carlo sampling

몬테카를로 방법(Monte Carlo Method)이란 랜덤 표본을 뽑아 함수의 값을 확률적으로 계산하는 알고리즘을 가리킵니다. 수학이나 물리학 등에 자주 사용되며 계산하려는 값이 닫힌 형식(closed form)으로 표현되지 않거나 복잡한 경우에 그 값을 근사적으로 계산하려고 할 때 쓰입니다. 예컨대 특정 확률 분포를 따르는 $x$의 함수값의 기대값은 다음과 같이 $k$개 샘플로 근사하는 것입니다.

몬테카를로 방법을 KLD에 적용해 식을 정리하면 다음과 같습니다.

이렇게 되면 $q(z)$를 설정하는 것이 자유롭게 됩니다. 동전던지기 예제에서는 $q(z)$를 베타분포로 정하는 것이 자연스럽지만, 실제 문제에서는 사후확률 분포에 대해 아무런 정보가 없기 때문에 이렇게 VI를 진행하기 어렵습니다. 하지만 몬테카를로 방법을 이용하게 되면 $q(z)$를 어떤 분포든 사용할 수 있게 됩니다.

예컨대 사후분포에 대한 정보가 없어서 $q(z)$를 정규분포로 정했다고 칩시다. 이 정규분포에서 $K$개의 $z$들을 뽑으면 위 식, 즉 KLD의 근사값을 계산할 수 있게 됩니다. 정규분포의 파라메터는 평균과 분산이므로, 이들을 조금씩 바꿔가면서 KLD 근사값을 최소로 하는 평균과 분산을 구할 수 있을 것입니다. 이렇게 구해진 정규분포가 바로 VI의 결과가 됩니다.

Variational Inference with SGD

VI에 그래디언트 디센트(Gradient Descent)를 이용할 수도 있습니다. KLD를 줄이는 쪽으로 파라메터를 업데이트한다는 게 핵심 아이디어죠. 이를 Stochastic Variational Inference(SVI)라고도 합니다. 어쨌든 이 방식으로 VI를 하려면 KLD 식이 미분 가능해야 합니다. $q(z)$는 정규분포($θ_q={μ_q, σ_q}$), $p(z)$는 베타분포($α$, $β$)라고 두고 KLD 식을 $θ_q$에 대해 미분해 보겠습니다. (추론 대상 파라메터는 $θ_q$)

위 식 미분을 완료하려면 $d/dθ_q$가 expectaion 안으로 들어가야 합니다. 그런데 $q(z)$는 $θ_q$에 의존하는 분포이고 $z$는 $q$에서 뽑기 때문에 $d/dθ_q$가 expectaion 안으로 들어갈 수 없음을 확인할 수 있습니다.

이렇게 하면 어떨까요? $z$ 대신 노이즈($ε$)를 뽑고, 노이즈로부터 $z$를 계산한다. $q(z)$는 정규분포라고 가정했으므로, $z$는 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

따라서 위의 식은 다음과 같이 전개할 수 있습니다. $E_{ε~N(0,1)}$은 더 이상 $θ_q$에 의존하지 않으므로 $d/dθ_q$가 expectaion 안으로 들어갈 수 있습니다. SVI 역시 몬테카를로 방법을 써서 $K$개 샘플로 KLD 함수의 그래디언트를 근사할 수 있습니다. 이 그래디언트의 반대 방향으로 파라메터 $θ_q$를 조금씩 업데이트하면 KLD를 줄일 수 있게 되고, 이를 반복하게 되면 사후확률 분포 $p(z$|$x)$에 근사하는 $q(z)$를 찾을 수 있습니다.

노이즈($ε$)를 뽑아 VI를 하는 방식은 $z$를 직접 샘플링하는 방식보다 분산(variance)이 적어 유용하다고 합니다.

Vatiational EM algorithm

지금까지는, 사전확률함수 $p(z)$와 우도함수 $p(x$|$z)$를 이미 알고 있다는 전제 하에 VI 과정을 설명해 드렸습니다. 하지만 실제 문제에서는 사전확률과 우도의 파라메터 또한 알고 있지 못하는 경우가 많습니다. 그런데 VI는 사후확률 $p(z$|$x)$에 근사한 $q(z)$를 찾는 것이 목적이므로 $p(z)$의 파라메터는 임의로 고정시켜도 관계 없다고 합니다. (아래 식에서 상수항인 $\log{p(x)}$에 해당)

따라서 우리는 사후확률 $p(z$|$x)$에 근사한 $q(z)$의 파라메터를 찾는 것과 동시에, 우도함수 $p(x$|$z)$의 파라메터 또한 추정해야 합니다. 하지만 이를 단박에 찾기 어렵습니다. 이 때 유용한 방법론이 바로 EM algorithm입니다. $q(z)$의 파라메터를 $θ_q$, 우도함수의 파라메터를 $θ_l$라고 둘 때 EM algorithm은 다음과 같은 과정을 수렴할 때까지 반복합니다.

  • Expectaion : $D_{KL}(q(z)$||$p(z$|$x))$를 줄이는 $θ_q$를 찾는다. (몬테카를로 방법을 활용한 VI, SVI 등 적용)
  • Maximization : E-step에서 찾은 $θ_q$를 고정한 상태에서 $\log{p(x)}$의 하한(lower bound)을 최대화하는 $p(x$|$z)$의 파라메터 $θ_l$를 찾는다.

여기에서 생소한 내용이 M-step입니다. 우선 KLD는 다음 식의 우변과 같이 세 개 요소로 분해될 수 있습니다. E-step에서는 KLD를 줄이기 위해 $q$만을 업데이트하므로 이 과정에서 $\log{p(x)}$는 변하지 않습니다. 그런데 KLD를 줄이기 위해선 $\log{p(x)}$ 또한 줄여야 할 것입니다.

위 식을 $\log{p(x)}$를 중심으로 정리하면 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

KLD는 항상 양수입니다.

따라서 $\log{p(x)}$의 하한은 다음과 같습니다. $p(x)$는 베이즈 정리에서 evidence라고 이름이 붙여진 항인데요. 이 때문에 아래 부등식의 우변을 Evidence Lower Bound(ELBO)라고도 부릅니다.

위 부등식 우변의 값을 줄이게 된다면 $\log{p(x)}$를 줄이게 되고, 결과적으로 KLD를 줄일 수 있게 됩니다. 따라서 $θ_q$를 고정시킨 채 위 부등식 우변의 값을 줄이는 방향으로 우도함수의 파라메터 $θ_l$를 업데이트하면 우리가 원하는 결과를 얻을 수 있습니다.

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