[G1-Sync] Manual knowledge update
This commit is contained in:
@@ -2,62 +2,159 @@
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id: wiki-2026-0508-predictive-coding
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title: Predictive Coding
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category: 10_Wiki/Topics
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status: needs_review
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status: verified
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canonical_id: self
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aliases: [PRED-CODING-001]
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aliases: [Predictive Coding Networks, PCN, Hierarchical Predictive Coding]
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duplicate_of: none
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source_trust_level: A
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confidence_score: 1.0
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tags: [neuroscience, ai, predictive-Processing, bayesian-brain, cognitive-science]
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confidence_score: 0.9
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verification_status: applied
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tags: [neuroscience, computational-neuroscience, free-energy, brain-models]
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raw_sources: []
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last_reinforced: 2026-04-26
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last_reinforced: 2026-05-10
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github_commit: pending
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inferred_by: Claude Opus 4.7 (auto-normalize 2026-05-08)
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tech_stack:
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language: Python
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framework: PyTorch / JAX
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# Predictive Coding (예측 부호화)
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# Predictive Coding
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## 📌 한 줄 통찰 (The Karpathy Summary)
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> "뇌는 감각을 수동적으로 받아들이지 않고, 끊임없이 세상을 예측하고 수정한다" — 하위 계층에서 올라오는 감각 신호와 상위 계층의 예측 신호 간의 '오차(Error)'만을 전달하여 에너지 효율을 극대화하고 인지 정합성을 유지하는 뇌의 정보 처리 메커니즘.
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## 매 한 줄
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> **"매 brain = prediction machine — top-down predictions vs bottom-up errors 의 hierarchical loop"**. Rao & Ballard (1999) 의 visual cortex model 에서 시작, Friston 의 free-energy principle 로 generalized, 2020s 부터 backprop alternative 로 deep learning 에서 재조명. Each layer predicts activity below; only prediction errors propagate up.
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## 📖 구조화된 지식 (Synthesized Content)
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- **추출된 패턴:** 상위 모델이 생성한 예측과 실제 입력 사이의 잔차(Residual)를 최소화하는 방향으로 내부 모델을 업데이트하는 베이지안 뇌(Bayesian Brain) 가설 기반의 인지 패턴.
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- **세부 내용:**
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- **Top-down Predictions:** 뇌는 과거 경험을 바탕으로 다음에 들어올 감각 데이터(시각, 청각 등)를 미리 예측함.
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- **Prediction Error:** 실제 입력이 예측과 다를 때만 해당 '오차 신호'가 상위 계층으로 전달되어 모델을 수정함.
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- **[[Efficiency|Efficiency]]:** 예측이 정확할수록 처리해야 할 정보량이 줄어들어 뇌의 에너지 소모를 최소화함.
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- **Perception as Inference:** 우리가 보고 느끼는 현실은 감각 데이터 자체라기보다, 뇌가 구성한 최선의 '예측 가설'에 가까움.
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## 매 핵심
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## ⚠️ 모순 및 업데이트 (Contradictions & Updates)
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- **과거 데이터와의 충돌:** 뇌를 단순한 자극-반응 시스템으로 보던 관점에서, 능동적인 추론 엔진(Inference Engine)으로 바라보는 관점으로의 대전환.
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- **정책 변화:** Antigravity 에이전트의 상황 인지 로직은 예측 부호화 원리를 차용하여, 예상된 정상 범위를 벗어나는 데이터(Anomalies)에 우선적으로 주의를 기울이도록 설계됨.
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### 매 Rao-Ballard (1999)
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- Hierarchical generative model: layer L predicts layer L-1 activity.
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- Prediction error e_L = r_{L-1} - W_L * r_L.
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- Errors drive higher representations; representations drive top-down predictions.
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- Endstop neurons, surround suppression 매 emergent properties.
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## 🔗 지식 연결 (Graph)
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- Bayesian-Inference, Neuroscience, Active-Inference, [[Anomaly-Detection|Anomaly-Detection]]
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- **Raw Source:** 10_Wiki/Topics/AI/Predictive-Coding.md
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### 매 free-energy principle (Friston)
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- Brain minimizes variational free energy = surprise upper bound.
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- Active inference: action selection also minimizes expected free energy.
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- Unifies perception, action, learning under one objective.
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## 🤖 LLM 활용 힌트 (How to Use This Knowledge)
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### 매 modern PC neural networks
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- **PCN as backprop alternative**: local Hebbian-like updates only.
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- **Equilibrium propagation** (Scellier-Bengio): related fixed-point training.
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- **Z-IL (Zero-divergence Inference Learning)**: PC equivalent to BP at convergence (Song 2020).
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- 2024-2026 work: scaling PC to ImageNet, transformer-PC hybrids.
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**언제 이 지식을 쓰는가:**
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- *(TODO)*
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### 매 advantages over backprop
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1. Local plasticity (biologically plausible).
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2. No need to store activations for backward pass.
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3. Natural for online / continual learning.
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4. Robust to weight transport problem.
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**언제 쓰면 안 되는가:**
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- *(TODO)*
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## 💻 패턴
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## 🧪 검증 상태 (Validation)
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### Minimal PC layer (PyTorch)
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```python
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import torch, torch.nn as nn
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- **정보 상태:** needs_review
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- **출처 신뢰도:** A
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- **검토 이유:** *(P-Reinforce Phase 1 자동 정규화. 본문 검증 필요.)*
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class PCLayer(nn.Module):
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def __init__(self, dim_below, dim_above):
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super().__init__()
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self.W = nn.Parameter(torch.randn(dim_above, dim_below) * 0.1)
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self.r = None # state, set per batch
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## 🧬 중복 검사 (Duplicate Check)
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def init_state(self, batch_size, device):
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self.r = torch.zeros(batch_size, self.W.shape[0], device=device, requires_grad=True)
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- **기존 유사 문서:** *(TODO: 인덱서 클러스터 리포트 참조)*
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- **처리 방식:** UPDATE (자동 정규화)
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- **처리 이유:** Phase 1 정규화 — 옛 템플릿/누락 필드 보강.
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def predict(self):
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return self.r @ self.W # top-down prediction of layer below
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## 🕓 변경 이력 (Changelog)
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def error(self, below):
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return below - self.predict()
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```
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| 날짜 | 변경 내용 | 처리 방식 | 신뢰도 |
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|------|-----------|-----------|--------|
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| 2026-05-08 | P-Reinforce Phase 1 정규화 (frontmatter + 헤더 표준화) | UPDATE | A |
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### Inference loop (energy minimization)
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```python
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def pc_inference(layers, x, n_steps=20, lr_r=0.1):
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# x: input at bottom
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||||
for L in layers: L.init_state(x.size(0), x.device)
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||||
activity = [x] + [L.r for L in layers]
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||||
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||||
for _ in range(n_steps):
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||||
# compute errors at each level
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errors = []
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||||
for i, L in enumerate(layers):
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errors.append(activity[i] - L.predict())
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# update r via gradient descent on free energy
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||||
for i, L in enumerate(layers):
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||||
grad = -errors[i] @ L.W.T
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||||
if i + 1 < len(layers):
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||||
grad = grad + errors[i + 1]
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||||
L.r = (L.r - lr_r * grad).detach().requires_grad_(True)
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||||
activity[i + 1] = L.r
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||||
return errors
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||||
```
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||||
### Weight update (local Hebbian)
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```python
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||||
def pc_weight_update(layers, errors, activity, lr_w=0.01):
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||||
with torch.no_grad():
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||||
for i, L in enumerate(layers):
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||||
# dW ∝ r_above^T * error_below
|
||||
dW = L.r.T @ errors[i] / errors[i].size(0)
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||||
L.W += lr_w * dW
|
||||
```
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||||
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||||
### Active inference (action selection)
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```python
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||||
def select_action(model, state, candidate_actions):
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||||
"""Pick action minimizing expected free energy G = epistemic + pragmatic."""
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G = []
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for a in candidate_actions:
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||||
next_belief = model.transition(state, a)
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||||
ambiguity = model.entropy(next_belief)
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||||
risk = model.kl_to_preferred(next_belief)
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||||
G.append(ambiguity + risk)
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||||
return candidate_actions[torch.argmin(torch.tensor(G))]
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||||
```
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||||
### Z-IL (PC ≡ BP at convergence)
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||||
```python
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||||
# Song et al 2020: at the equilibrium of PC inference,
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# weight updates equal those produced by BP.
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# Critical detail: feedback weights = transpose of forward weights (tied).
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```
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## 매 결정 기준
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| 상황 | Approach |
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|---|---|
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| Biological plausibility required | Predictive coding |
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| Energy efficiency on neuromorphic HW | PC / spiking PC |
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| SOTA accuracy on ImageNet | Backprop CNN/ViT (still wins) |
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| Continual learning | PC w/ uncertainty-weighted errors |
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| Interpretation of cortical hierarchy | PC as theory |
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**기본값**: BP for engineering; PC for neuroscience modeling 또는 neuromorphic deployment.
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## 🔗 Graph
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- 부모: [[Computational-Neuroscience]] · [[Free-Energy-Principle]]
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- 변형: [[Active-Inference]] · [[Equilibrium-Propagation]]
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||||
- 응용: [[Cortical-Hierarchy]] · [[Bayesian-Brain]] · [[Neuromorphic-Computing]]
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||||
- Adjacent: [[Backpropagation]] · [[Variational-Inference]] · [[Helmholtz-Machine]]
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## 🤖 LLM 활용
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**언제**: brain-inspired model design, biologically-plausible learning, continual learning, neuromorphic chips.
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**언제 X**: pure engineering goals — backprop is faster and more accurate.
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## ❌ 안티패턴
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- **PC as drop-in BP replacement**: still slower and less accurate at scale.
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- **Confusing inference vs learning**: PC has nested loops (fast inference, slow weights).
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- **Ignoring weight symmetry**: untied feedback breaks BP equivalence.
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- **Free-energy hand-wave**: equation must be operationalized concretely.
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## 🧪 검증 / 중복
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- Verified (Rao & Ballard 1999 Nat Neurosci, Friston 2010, Song et al 2020 NeurIPS).
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- 신뢰도 A.
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## 🕓 Changelog
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| 날짜 | 변경 |
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|---|---|
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| 2026-05-08 | Phase 1 |
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| 2026-05-10 | Manual cleanup — full PC theory + modern PC NN code |
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Reference in New Issue
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