为什么深神经网络（DNN）受益于非常高的维度参数空间？他们的巨大参数复杂性与实践中的惊人表演是使用标准常规模型理论的更具迷恋和无法解释的。在这项工作中，我们提出了一种几何风味的信息 - 理论方法来研究这种现象。即，我们通过考虑Fisher信息矩阵的显着尺寸的数量来介绍神经网络模型的参数空间的局部变化维度，并使用奇异半riemannian几何框架将参数空间模拟作为歧管的参数空间。我们推出模型复杂度措施，其基于奇点分析产生深度神经网络模型的简短描述长度，因此尽管有大量参数，但是尽管有大量的参数，但是尽管有大量的参数来解释DNN的良好性能。

机器学习中的一个基本问题是从低维潜在空间$ \ MATHCAL {y} $找到映射$ f $到高维观察空间$ \ MATHCAL {x} $。深层神经网络等现代工具能够代表一般的非线性映射。学习者可以轻松找到完美适合所有观察结果的映射。但是，这样的映射通常不被认为是好的，因为它不够简单并且可以过度合适。如何定义简单性？我们试图对非线性映射$ f $施加的信息量进行正式定义。直观地，我们测量了回溯几何形状和潜在空间的内在几何形状之间的局部差异。我们的定义基于信息几何形状，并且独立于经验观察，也不是特定的参数化。我们证明其基本属性，并与相关的机器学习方法讨论关系。

量子哈密顿学习和量子吉布斯采样的双重任务与物理和化学中的许多重要问题有关。在低温方案中，这些任务的算法通常会遭受施状能力，例如因样本或时间复杂性差而遭受。为了解决此类韧性，我们将量子自然梯度下降的概括引入了参数化的混合状态，并提供了稳健的一阶近似算法，即量子 - 固定镜下降。我们使用信息几何学和量子计量学的工具证明了双重任务的数据样本效率，因此首次将经典Fisher效率的开创性结果推广到变异量子算法。我们的方法扩展了以前样品有效的技术，以允许模型选择的灵活性，包括基于量子汉密尔顿的量子模型，包括基于量子的模型，这些模型可能会规避棘手的时间复杂性。我们的一阶算法是使用经典镜下降二元性的新型量子概括得出的。两种结果都需要特殊的度量选择，即Bogoliubov-Kubo-Mori度量。为了从数值上测试我们提出的算法，我们将它们的性能与现有基准进行了关于横向场ISING模型的量子Gibbs采样任务的现有基准。最后，我们提出了一种初始化策略，利用几何局部性来建模状态的序列（例如量子 - 故事过程）的序列。我们从经验上证明了它在实际和想象的时间演化的经验上，同时定义了更广泛的潜在应用。

这项调查旨在提供线性模型及其背后的理论的介绍。我们的目标是对读者进行严格的介绍，并事先接触普通最小二乘。在机器学习中，输出通常是输入的非线性函数。深度学习甚至旨在找到需要大量计算的许多层的非线性依赖性。但是，这些算法中的大多数都基于简单的线性模型。然后，我们从不同视图中描述线性模型，并找到模型背后的属性和理论。线性模型是回归问题中的主要技术，其主要工具是最小平方近似，可最大程度地减少平方误差之和。当我们有兴趣找到回归函数时，这是一个自然的选择，该回归函数可以最大程度地减少相应的预期平方误差。这项调查主要是目的的摘要，即线性模型背后的重要理论的重要性，例如分布理论，最小方差估计器。我们首先从三种不同的角度描述了普通的最小二乘，我们会以随机噪声和高斯噪声干扰模型。通过高斯噪声，该模型产生了可能性，因此我们引入了最大似然估计器。它还通过这种高斯干扰发展了一些分布理论。最小二乘的分布理论将帮助我们回答各种问题并引入相关应用。然后，我们证明最小二乘是均值误差的最佳无偏线性模型，最重要的是，它实际上接近了理论上的极限。我们最终以贝叶斯方法及以后的线性模型结束。

本文通过引入几何深度学习（GDL）框架来构建通用馈电型型模型与可区分的流形几何形状兼容的通用馈电型模型，从而解决了对非欧国人数据进行处理的需求。我们表明，我们的GDL模型可以在受控最大直径的紧凑型组上均匀地近似任何连续目标函数。我们在近似GDL模型的深度上获得了最大直径和上限的曲率依赖性下限。相反，我们发现任何两个非分类紧凑型歧管之间始终都有连续的函数，任何“局部定义”的GDL模型都不能均匀地近似。我们的最后一个主要结果确定了数据依赖性条件，确保实施我们近似的GDL模型破坏了“维度的诅咒”。我们发现，任何“现实世界”（即有限）数据集始终满足我们的状况，相反，如果目标函数平滑，则任何数据集都满足我们的要求。作为应用，我们确认了以下GDL模型的通用近似功能：Ganea等。 （2018）的双波利馈电网络，实施Krishnan等人的体系结构。 （2015年）的深卡尔曼 - 滤波器和深度玛克斯分类器。我们构建了：Meyer等人的SPD-Matrix回归剂的通用扩展/变体。 （2011）和Fletcher（2003）的Procrustean回归剂。在欧几里得的环境中，我们的结果暗示了Kidger和Lyons（2020）的近似定理和Yarotsky和Zhevnerchuk（2019）无估计近似率的数据依赖性版本的定量版本。

Riemannian geometry provides powerful tools to explore the latent space of generative models while preserving the inherent structure of the data manifold. Lengths, energies and volume measures can be derived from a pullback metric, defined through the immersion that maps the latent space to the data space. With this in mind, most generative models are stochastic, and so is the pullback metric. Manipulating stochastic objects is strenuous in practice. In order to perform operations such as interpolations, or measuring the distance between data points, we need a deterministic approximation of the pullback metric. In this work, we are defining a new metric as the expected length derived from the stochastic pullback metric. We show this metric is Finslerian, and we compare it with the expected pullback metric. In high dimensions, we show that the metrics converge to each other at a rate of $\mathcal{O}\left(\frac{1}{D}\right)$.

结构化参数空间的自然梯度下降（NGD）（例如，低级CovariRces）是由于困难的Fisher矩阵计算而在计算上具有挑战性。我们通过使用\ emph {local-parameter坐标}来解决此问题，以获取灵活且高效的NGD方法，适用于各种结构化参数化。我们显示了四个应用程序，我们的方法（1）概括指数自然进化策略，（2）恢复现有的牛顿样算法，（3）通过矩阵组产生新的结构化二阶算法，（4）给出了新的算法高斯和基于Wishart的分布的协方差。我们展示了深度学习，变分推论和进化策略的一系列问题。我们的工作为可扩展结构化几何方法开辟了新的方向。

Riemannian Gaussian distributions were initially introduced as basic building blocks for learning models which aim to capture the intrinsic structure of statistical populations of positive-definite matrices (here called covariance matrices). While the potential applications of such models have attracted significant attention, a major obstacle still stands in the way of these applications: there seems to exist no practical method of computing the normalising factors associated with Riemannian Gaussian distributions on spaces of high-dimensional covariance matrices. The present paper shows that this missing method comes from an unexpected new connection with random matrix theory. Its main contribution is to prove that Riemannian Gaussian distributions of real, complex, or quaternion covariance matrices are equivalent to orthogonal, unitary, or symplectic log-normal matrix ensembles. This equivalence yields a highly efficient approximation of the normalising factors, in terms of a rather simple analytic expression. The error due to this approximation decreases like the inverse square of dimension. Numerical experiments are conducted which demonstrate how this new approximation can unlock the difficulties which have impeded applications to real-world datasets of high-dimensional covariance matrices. The paper then turns to Riemannian Gaussian distributions of block-Toeplitz covariance matrices. These are equivalent to yet another kind of random matrix ensembles, here called "acosh-normal" ensembles. Orthogonal and unitary "acosh-normal" ensembles correspond to the cases of block-Toeplitz with Toeplitz blocks, and block-Toeplitz (with general blocks) covariance matrices, respectively.

指数族在机器学习中广泛使用，包括连续和离散域中的许多分布（例如，通过SoftMax变换，Gaussian，Dirichlet，Poisson和分类分布）。这些家庭中的每个家庭的分布都有固定的支持。相比之下，对于有限域而言，最近在SoftMax稀疏替代方案（例如Sparsemax，$ \ alpha $ -entmax和Fusedmax）的稀疏替代方案中导致了带有不同支持的分布。本文基于几种技术贡献，开发了连续分布的稀疏替代方案：首先，我们定义了$ \ omega $ regultion的预测图和任意域的Fenchel-young损失（可能是无限或连续的）。对于线性参数化的家族，我们表明，Fenchel-Young损失的最小化等效于统计的矩匹配，从而概括了指数家族的基本特性。当$ \ omega $是带有参数$ \ alpha $的Tsallis negentropy时，我们将获得````trabormed rompential指数）''，其中包括$ \ alpha $ -entmax和sparsemax和sparsemax（$ \ alpha = 2 $）。对于二次能量函数，产生的密度为$ \ beta $ -Gaussians，椭圆形分布的实例，其中包含特殊情况，即高斯，双重量级，三人级和epanechnikov密度，我们为差异而得出了差异的封闭式表达式， Tsallis熵和Fenchel-Young损失。当$ \ Omega $是总变化或Sobolev正常化程序时，我们将获得Fusedmax的连续版本。最后，我们引入了连续的注意机制，从\ {1、4/3、3/3、3/2、2 \} $中得出有效的梯度反向传播算法。使用这些算法，我们证明了我们的稀疏连续分布，用于基于注意力的音频分类和视觉问题回答，表明它们允许参加时间间隔和紧凑区域。

学习和分析统计模型的一种常见方法是考虑模型参数空间中的操作。但是，如果我们在参数空间中进行优化，并且在参数空间和基础统计模型空间之间没有一对一的映射会发生什么？这些情况经常发生在包括统计混合物或随机神经网络的分层模型中，据说这些模型是单数的。奇异模型在机器学习中揭示了几个重要且研究的问题，例如由于吸引者行为而导致学习轨迹的收敛速度的降低。在这项工作中，我们提出了一种参数空间的相对重新聚集技术，该技术产生了一种从单数模型中提取常规子模型的一般方法。我们的方法在训练过程中实施了模型可识别性，并研究了在相对参数化下为高斯混合模型（GMM）的梯度下降和期望最大化的学习动力学，显示了更快的实验收敛性和围绕奇异性的动态的改善。将分析扩展到GMM之外，我们进一步分析了在相对重新聚体化及其对概括误差的影响下的Fisher信息矩阵，并显示该方法如何应用于更复杂的模型，例如深层神经网络。

Deep neural networks can approximate functions on different types of data, from images to graphs, with varied underlying structure. This underlying structure can be viewed as the geometry of the data manifold. By extending recent advances in the theoretical understanding of neural networks, we study how a randomly initialized neural network with piece-wise linear activation splits the data manifold into regions where the neural network behaves as a linear function. We derive bounds on the density of boundary of linear regions and the distance to these boundaries on the data manifold. This leads to insights into the expressivity of randomly initialized deep neural networks on non-Euclidean data sets. We empirically corroborate our theoretical results using a toy supervised learning problem. Our experiments demonstrate that number of linear regions varies across manifolds and the results hold with changing neural network architectures. We further demonstrate how the complexity of linear regions is different on the low dimensional manifold of images as compared to the Euclidean space, using the MetFaces dataset.

深度神经网络被广泛用于解决多个科学领域的复杂问题，例如语音识别，机器翻译，图像分析。用于研究其理论特性的策略主要依赖于欧几里得的几何形状，但是在过去的几年中，已经开发了基于Riemannian几何形状的新方法。在某些开放问题的动机中，我们研究了歧管之间的特定地图序列，该序列的最后一个歧管配备了riemannian指标。我们研究了序列的其他歧管和某些相关商的结构引起的槽撤回。特别是，我们表明，最终的riemannian度量的回调到该序列的任何歧管是一个退化的riemannian度量，诱导了伪模空间的结构，我们表明，该伪仪的kolmogorov商均产生了平滑的歧管，这是基础的，这是基础，这是基础的基础。特定垂直束的空间。我们研究了此类序列图的理论属性，最终我们着重于实施实际关注神经网络的流形之间的地图，并介绍了本文第一部分中引入的几何框架的某些应用。

现代神经网络通常以强烈的过度构造状态运行：它们包含许多参数，即使实际标签被纯粹随机的标签代替，它们也可以插入训练集。尽管如此，他们在看不见的数据上达到了良好的预测错误：插值训练集并不会导致巨大的概括错误。此外，过度散色化似乎是有益的，因为它简化了优化景观。在这里，我们在神经切线（NT）制度中的两层神经网络的背景下研究这些现象。我们考虑了一个简单的数据模型，以及各向同性协变量的矢量，$ d $尺寸和$ n $隐藏的神经元。我们假设样本量$ n $和尺寸$ d $都很大，并且它们在多项式上相关。我们的第一个主要结果是对过份术的经验NT内核的特征结构的特征。这种表征意味着必然的表明，经验NT内核的最低特征值在$ ND \ gg n $后立即从零界限，因此网络可以在同一制度中精确插值任意标签。我们的第二个主要结果是对NT Ridge回归的概括误差的表征，包括特殊情况，最小值-ULL_2 $ NORD插值。我们证明，一旦$ nd \ gg n $，测试误差就会被内核岭回归之一相对于无限宽度内核而近似。多项式脊回归的误差依次近似后者，从而通过与激活函数的高度组件相关的“自我诱导的”项增加了正则化参数。多项式程度取决于样本量和尺寸（尤其是$ \ log n/\ log d $）。

高斯混合模型是数据科学和统计数据中的强大工具，主要用于聚类和密度近似。估计模型参数的任务实际上是通过预期最大化（EM）算法来解决的，该算法在简单性和低介质成本方面具有好处。但是，如果存在大量隐藏信息或重叠簇，则EM收敛缓慢。高斯混合模型的多种流形优化方面的最新进展已引起人们的兴趣越来越大。我们为Riemannian Hessian引入了高斯混合模型的明确公式。最重要的是，我们提出了一种新的Riemannian Newton Trust-Region方法，该方法在运行时和迭代次数方面都优于当前方法。我们将方法应用于聚类问题和密度近似任务。与现有方法相比，我们的方法对于具有大量隐藏信息的数据非常强大。

A common approach to modeling networks assigns each node to a position on a low-dimensional manifold where distance is inversely proportional to connection likelihood. More positive manifold curvature encourages more and tighter communities; negative curvature induces repulsion. We consistently estimate manifold type, dimension, and curvature from simply connected, complete Riemannian manifolds of constant curvature. We represent the graph as a noisy distance matrix based on the ties between cliques, then develop hypothesis tests to determine whether the observed distances could plausibly be embedded isometrically in each of the candidate geometries. We apply our approach to data-sets from economics and neuroscience.

我们表明，典型分类数据集的输入相关矩阵具有特征光谱，在尖锐的初始下降后，大量的小特征值均匀地分布在指数较大的范围内。这种结构反映在经过此数据训练的网络中：我们表明Hessian和Fisher Information Matrix（FIM）具有特征值，这些特征值均匀地散布在指数较大的范围上。我们称这种特征性称为“草率”，因为与小特征值相对应的一组重量可以通过大小不影响损失而改变。在非典型数据集上培训的具有非宽松输入的网络不会共享这些特征，并且在此类数据集上训练的深网概括了。受到这一点的启发，我们研究了以下假设：输入的斜率有助于深度网络中的概括。我们表明，如果Hessian草率很草率，我们可以通过分析地计算非呈现PAC-BAYES的概括。通过利用我们的经验观察，即训练主要发生在FIM的非宽松子空间中，我们开发了依赖数据分布的PAC-Bayes先验，从而通过数值优化导致准确的概括界限。

制定关于涉及新数据的任务的训练模型的表现的陈述是机器学习的主要目标之一，即了解模型的泛化功率。各种能力措施试图捕捉这种能力，但通常在解释我们在实践中观察到的模型的重要特征。在这项研究中，我们将本地有效维度提出作为一种容量测量，似乎与标准数据集的泛化误差很好。重要的是，我们证明了本地有效维度界限泛化误差并讨论了机器学习模型的这种容量措施的适应性。

有限维概率单纯x中的聚类分类分布是处理归一化直方图的许多应用中的基本任务。传统上，概率单位的差分几何结构已经通过（i）将Riemannian公制矩阵设定为分类分布的Fisher信息矩阵，或（ii）定义由平滑异化性引起的二元信息 - 几何结构衡量标准，kullback-leibler发散。在这项工作中，我们介绍了群集任务一种新颖的计算型友好框架，用于在几何上建模概率单纯x：{\ em hilbert simplex几何}。在Hilbert Simplex几何形状中，距离是不可分离的Hilbert公制距离，其满足与多光镜边界描述的距离水平集功能的信息单调性的特性。我们表明，Aitchison和Hilbert Simplex的距离分别是关于$ \ ell_2 $和变化规范的标准化对数表示的距离。我们讨论了这些不同的统计建模的利弊，并通过基于基于中心的$ k $ -means和$ k $ -center聚类的基准这些不同的几何形状。此外，由于可以在欧几里德空间的任何有界凸形子集上定义规范希尔伯特距离，因此我们还考虑了与FR \“Obenius和Log-Det分歧相比的相关矩阵的椭圆形的几何形状并研究其聚类性能。

矩阵正常模型，高斯矩阵变化分布的系列，其协方差矩阵是两个较低尺寸因子的Kronecker乘积，经常用于模拟矩阵变化数据。张量正常模型将该家庭推广到三个或更多因素的Kronecker产品。我们研究了矩阵和张量模型中协方差矩阵的Kronecker因子的估计。我们向几个自然度量中的最大似然估计器（MLE）实现的误差显示了非因素界限。与现有范围相比，我们的结果不依赖于条件良好或稀疏的因素。对于矩阵正常模型，我们所有的所有界限都是最佳的对数因子最佳，对于张量正常模型，我们对最大因数和整体协方差矩阵的绑定是最佳的，所以提供足够的样品以获得足够的样品以获得足够的样品常量Frobenius错误。在与我们的样本复杂性范围相同的制度中，我们表明迭代程序计算称为触发器算法称为触发器算法的MLE的线性地收敛，具有高概率。我们的主要工具是Fisher信息度量诱导的正面矩阵的几何中的测地强凸性。这种强大的凸起由某些随机量子通道的扩展来决定。我们还提供了数值证据，使得将触发器算法与简单的收缩估计器组合可以提高缺乏采样制度的性能。

对于高维和非参数统计模型，速率最优估计器平衡平方偏差和方差是一种常见的现象。虽然这种平衡被广泛观察到，但很少知道是否存在可以避免偏差和方差之间的权衡的方法。我们提出了一般的策略，以获得对任何估计方差的下限，偏差小于预先限定的界限。这表明偏差差异折衷的程度是不可避免的，并且允许量化不服从其的方法的性能损失。该方法基于许多抽象的下限，用于涉及关于不同概率措施的预期变化以及诸如Kullback-Leibler或Chi-Sque-diversence的信息措施的变化。其中一些不平等依赖于信息矩阵的新概念。在该物品的第二部分中，将抽象的下限应用于几种统计模型，包括高斯白噪声模型，边界估计问题，高斯序列模型和高维线性回归模型。对于这些特定的统计应用，发生不同类型的偏差差异发生，其实力变化很大。对于高斯白噪声模型中集成平方偏置和集成方差之间的权衡，我们将较低界限的一般策略与减少技术相结合。这允许我们将原始问题与估计的估计器中的偏差折衷联动，以更简单的统计模型中具有额外的对称性属性。在高斯序列模型中，发生偏差差异的不同相位转换。虽然偏差和方差之间存在非平凡的相互作用，但是平方偏差的速率和方差不必平衡以实现最小估计速率。