平均场近似的局限性

变分自编码器（VAE）的效果通常取决于其近似后验 $q_\phi(z|x)$ 的质量。在构建这种近似后验时，一种广泛采用的简化方法是平均场近似。该方法假设在给定输入 $x$ 的情况下，潜在向量 $z = (z_1, z_2, \dots, z_D)$ 中的潜在变量 $z_i$ 相互独立。从数学上讲，这意味着近似后验可以分解为各个独立分布的乘积：

$$q_\phi(z|x) = \prod_{i=1}^{D} q_\phi(z_i|x)$$

通常，每个 $q_\phi(z_i|x)$ 被建模为一个一元高斯分布，其均值 $\mu_i(x)$ 和方差 $\sigma_i^2(x)$ 由编码器网络输出。这个假设在计算上很方便。它简化了 ELBO 中 KL 散度项 $D_{KL}(q_\phi(z|x) || p(z))$ 的计算，尤其当先验 $p(z)$ 也是一个因子化高斯分布时（例如，标准正态分布 $\mathcal{N}(0, I)$）。KL 散度随后分解为一元高斯分布之间的 KL 散度之和，这具有闭式解。

然而，这种简化带来弊端。平均场近似的主要局限在于真实后验 $p_\theta(z|x)$ 通常复杂得多，并且不以这种方式因子化。数据背后的生成因素，即潜在变量 $z$ 旨在捕获的那些因素，可能内在相关。例如，在人脸图像中，姿态和光照可能是相关因素。如果 $z_1$ 表示姿态，$z_2$ 表示光照，那么 $p_\theta(z_1, z_2 | x)$ 很有可能表现出强相关性。

通过强制条件独立性，平均场 $q_\phi(z|x)$ 被限制在一类无法捕获潜在变量之间任何相关性的分布中。这带来以下几项重要影响：

1. 真实后验拟合不佳： 如果真实后验 $p_\theta(z|x)$ 具有显著相关性（即其协方差矩阵具有非零非对角线元素），则因子化的 $q_\phi(z|x)$（如果为高斯分布，则意味着 $z$ 的协方差矩阵是对角矩阵）将是一个拙劣的近似。这种不匹配意味着我们最大化的 ELBO，可能比使用更具表达力的 $q_\phi$ 所能达到的，对真实对数似然 $\log p_\theta(x)$ 的下界更松散。

2. 方差低估与不准确的不确定性： 平均场近似倾向于低估真实后验的方差，或者更普遍地说，它无法捕获其概率密度的形状。这通常导致近似后验在潜在空间的某些区域过于紧凑或“过度自信”，尤其当真实后验沿着不与潜在空间坐标轴对齐的方向延伸时。

3. 对表示质量的影响： 如果模型被迫用独立的潜在变量表示相关的真实因素，则学习到的表示可能意义不大或更难解释。如果 VAE 的推断机制甚至无法准确建模这些相关因素的联合后验分布，它可能难以有效地解耦它们。

4. 次优生成性能： 尽管 VAE 的训练目标是最大化 ELBO，但最终目标通常是生成高质量样本。拙劣的后验近似会间接影响解码器。如果在训练期间，编码器持续向解码器提供误导性或过于简单化的后验表示，则解码器可能无法那么有效地学习真实数据流形。

5. 对后验坍塌的助推： 尽管并非唯一原因，但非常简单的近似后验，如平均场高斯分布，有时会使 KL 散度项 $D_{KL}(q_\phi(z|x) || p(z))$ 更容易通过使 $q_\phi(z|x)$ 几乎与先验 $p(z)$ 相同而被最小化。在这种情况下，潜在变量携带关于输入 $x$ 的信息很少，这个问题被称为后验坍塌。更灵活的 $q_\phi(z|x)$ 可能更善于编码来自 $x$ 的信息，同时仍在合理程度上匹配先验。

为了直观地看清差异，设想一个真实的二维后验，其中 $z_1$ 和 $z_2$ 高度相关，形成一个相对于坐标轴倾斜的椭圆形分布。平均场近似会尝试用一个轴对齐的椭圆（如果方差相等，则为圆形）来拟合它。

一个对比示意图，展示了 $z_1$ 和 $z_2$ 之间具有强相关性的真实后验 $p_\theta(z|x)$（蓝色，形成倾斜的椭圆状云团）与平均场近似 $q_\phi(z|x)$（红色，形成更圆形或轴对齐的云团）。平均场近似未能捕获协方差结构。阴影区域大致表示高密度区域。

“平均场”一词本身源于物理学，其中具有复杂关系的系统通过假设每个组件仅与所有其他组件的平均效应发生影响，而忽略特定的成对关系来简化。在 VAE 中，这意味着在近似后验中假设潜在变量 $z_i$ 之间相互独立，忽略它们潜在的直接关系。

理解这些局限性很重要，因为它促使发展和使用更精密的推断技术。本章后续部分将介绍旨在摆脱平均场假设的方法，旨在获得更具表达力的近似后验，这些后验能更好地捕获真实后验 $p_\theta(z|x)$ 的复杂性，从而得到更紧密的 ELBO 并可能提升 VAE 性能。