为了更好地了解大型神经网络的理论行为，有几项工程已经分析了网络宽度倾向于无穷大的情况。在该制度中，随机初始化的影响和训练神经网络的过程可以与高斯过程和神经切线内核等分析工具正式表达。在本文中，我们审查了在这种无限宽度神经网络中量化不确定性的方法，并将它们与贝叶斯推理框架中的高斯过程的关系进行比较。我们利用沿途使用几个等价结果，以获得预测不确定性的确切闭合性解决方案。

A longstanding goal in deep learning research has been to precisely characterize training and generalization. However, the often complex loss landscapes of neural networks have made a theory of learning dynamics elusive. In this work, we show that for wide neural networks the learning dynamics simplify considerably and that, in the infinite width limit, they are governed by a linear model obtained from the first-order Taylor expansion of the network around its initial parameters. Furthermore, mirroring the correspondence between wide Bayesian neural networks and Gaussian processes, gradient-based training of wide neural networks with a squared loss produces test set predictions drawn from a Gaussian process with a particular compositional kernel. While these theoretical results are only exact in the infinite width limit, we nevertheless find excellent empirical agreement between the predictions of the original network and those of the linearized version even for finite practically-sized networks. This agreement is robust across different architectures, optimization methods, and loss functions.

It has long been known that a single-layer fully-connected neural network with an i.i.d. prior over its parameters is equivalent to a Gaussian process (GP), in the limit of infinite network width. This correspondence enables exact Bayesian inference for infinite width neural networks on regression tasks by means of evaluating the corresponding GP. Recently, kernel functions which mimic multi-layer random neural networks have been developed, but only outside of a Bayesian framework. As such, previous work has not identified that these kernels can be used as covariance functions for GPs and allow fully Bayesian prediction with a deep neural network. In this work, we derive the exact equivalence between infinitely wide deep networks and GPs. We further develop a computationally efficient pipeline to compute the covariance function for these GPs. We then use the resulting GPs to perform Bayesian inference for wide deep neural networks on MNIST and CIFAR-10. We observe that trained neural network accuracy approaches that of the corresponding GP with increasing layer width, and that the GP uncertainty is strongly correlated with trained network prediction error. We further find that test performance increases as finite-width trained networks are made wider and more similar to a GP, and thus that GP predictions typically outperform those of finite-width networks. Finally we connect the performance of these GPs to the recent theory of signal propagation in random neural networks. * Both authors contributed equally to this work. † Work done as a member of the Google AI Residency program (g.co/airesidency). 1 Throughout this paper, we assume the conditions on the parameter distributions and nonlinearities are such that the Central Limit Theorem will hold; for instance, that the weight variance is scaled inversely proportional to the layer width.

缺乏对深度学习系统的洞察力阻碍了他们的系统设计。在科学和工程学中，建模是一种用于了解内部过程不透明的复杂系统的方法。建模用更简单的代理代替复杂的系统，该系统更适合解释。从中汲取灵感，我们使用高斯流程为神经网络构建了一类代理模型。我们没有从神经网络的某些限制案例中得出内核，而是从经验上从神经网络的自然主义行为中学习了高斯过程的内核。我们首先通过两项案例研究评估我们的方法，灵感来自先前对神经网络行为的理论研究，在这些案例研究中，我们捕获了学习低频的神经网络偏好，并确定了深层神经网络中的病理行为。在进一步的实践案例研究中，我们使用学识渊博的内核来预测神经网络的泛化特性。

Deep Gaussian工艺（DGP）作为贝叶斯学习的先验模型直观地利用功能组成中的表达能力。 DGP还提供了不同的建模功能，但是推断很具有挑战性，因为潜在功能空间的边缘化是无法处理的。借助Bochner定理，具有平方指数内核的DGP可以看作是由随机特征层，正弦和余弦激活单元以及随机重量层组成的深度三角网络。在具有瓶颈的宽极限中，我们表明重量空间视图产生了相同的有效协方差函数，该函数先前在功能空间中获得。同样，在网络参数上改变先前的分布相当于使用不同的内核。因此，DGP可以转换为深瓶颈触发网络，可以通过该网络获得确切的最大后验估计。有趣的是，网络表示可以研究DGP的神经切线核，这也可能揭示了棘手的预测分布的平均值。从统计上讲，与浅网络不同，有限宽度的深网具有与极限内核的协方差，并且内部和外部宽度可能在功能学习中起不同的作用。存在数值模拟以支持我们的发现。

我们引入了重新定性，这是一种数据依赖性的重新聚集化，将贝叶斯神经网络（BNN）转化为后部的分布，其KL对BNN对BNN的差异随着层宽度的增长而消失。重新定义图直接作用于参数，其分析简单性补充了宽BNN在功能空间中宽BNN的已知神经网络过程（NNGP）行为。利用重新定性，我们开发了马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）后采样算法，该算法将BNN更快地混合在一起。这与MCMC在高维度上的表现差异很差。对于完全连接和残留网络，我们观察到有效样本量高达50倍。在各个宽度上都取得了改进，并在层宽度的重新培训和标准BNN之间的边缘。

我们说明了一种可以利用用于构建先验遵守身体定律的神经网络的方法。我们从简单的单层神经网络（NN）开始，但避免选择激活功能。在某些条件和无限宽度极限下，我们可以应用中央限制定理，NN输出变为高斯。然后，我们可以通过依靠高斯过程（GP）理论来调查和操纵极限网络。据观察，作用于GP的线性操作员再次产生GP。对于定义微分方程并描述物理定律的差分运算符也是如此。如果我们要求GP或等效地遵守物理定律，那么这将产生与GP的协方差函数或内核的方程式，其解决方案等效地限制了模型以遵守物理定律。然后，中央限制定理建议可以通过选择激活函数来构建NNS来遵守物理定律，从而使它们在无限宽度极限中匹配特定的内核。以这种方式构建的激活函数可以保证NN先验遵守物理学，直到非限制网络宽度的近似误差。讨论了均匀的1D-螺旋方程的简单示例，并将其与天真的内核和激活进行了比较。

现代深度神经网络（DNN）的成功基于其在多层转换投入以建立良好高级表示的能力。因此，了解这种表示学习过程至关重要。但是，我们不能使用涉及无限宽度限制的标准理论方法，因为它们消除了代表性学习。因此，我们开发了一个新的无限宽度限制，即表示的学习限制，该限制表现出表示形式的学习反映，但在有限宽度网络中，但同时仍然非常容易处理。例如，表示学习限制在深处的高斯过程中提供了恰好具有多种内核的多元高斯后期，包括所有各向同性（距离依赖）内核。我们得出一个优雅的目标，描述了每个网络层如何学习在输入和输出之间插值的表示形式。最后，我们使用此限制和目标来开发对内核方法的灵活，深刻的概括，我们称之为深内核机器（DKMS）。我们表明，可以使用受高斯过程文献中诱导点方法启发的方法将DKMS缩放到大数据集，并且我们表明DKMS表现出优于其他基于内核方法的性能。

神经网络和高斯过程的优势和劣势是互补的。更好地了解他们的关系伴随着使每个方法从另一个方法中受益的承诺。在这项工作中，我们建立了神经网络的前进通行证与（深）稀疏高斯工艺模型之间的等价。我们开发的理论是基于解释激活函数作为跨域诱导功能，通过对激活函数和内核之间的相互作用进行严格分析。这导致模型可以被视为具有改善的不确定性预测或深度高斯过程的神经网络，其具有提高的预测精度。这些权利要求通过对回归和分类数据集进行实验结果来支持。

我们考虑贝叶斯逆问题，其中假设未知状态是具有不连续结构的函数先验。介绍了基于具有重型重量的神经网络输出的一类现有分布，其具有关于这种网络的无限宽度限制的现有结果。理论上，即使网络宽度是有限的，我们也显示来自这种前导者的样本具有所需的不连续性，使得它们适合于边缘保留反转。在数值上，我们考虑在一个和二维空间域上定义的解卷积问题，以说明这些前景的有效性;地图估计，尺寸 - 鲁棒MCMC采样和基于集合的近似值用于探测后部分布。点估计的准确性显示出超过从非重尾前沿获得的那些，并且显示不确定性估计以提供更有用的定性信息。

随机过程提供了数学上优雅的方式模型复杂数据。从理论上讲，它们为可以编码广泛有趣的假设的功能类提供了灵活的先验。但是，实际上，难以通过优化或边缘化来有效推断，这一问题进一步加剧了大数据和高维输入空间。我们提出了一种新颖的变性自动编码器（VAE），称为先前的编码变量自动编码器（$ \ pi $ vae）。 $ \ pi $ vae是有限的交换且Kolmogorov一致的，因此是一个连续的随机过程。我们使用$ \ pi $ vae学习功能类的低维嵌入。我们表明，我们的框架可以准确地学习表达功能类，例如高斯流程，也可以学习函数的属性以启用统计推断（例如log高斯过程的积分）。对于流行的任务，例如空间插值，$ \ pi $ vae在准确性和计算效率方面都达到了最先进的性能。也许最有用的是，我们证明了所学的低维独立分布的潜在空间表示提供了一种优雅，可扩展的方法，可以在概率编程语言（例如Stan）中对随机过程进行贝叶斯推断。

不确定性估计（UE）技术 - 例如高斯过程（GP），贝叶斯神经网络（BNN），蒙特卡罗辍学（MCDropout） - 旨在通过为每个分配估计的不确定性值来提高机器学习模型的可解释性他们的预测输出。然而，由于过高的不确定性估计可以在实践中具有致命的后果，因此本文分析了上述技术。首先，我们表明GP方法始终会产生高不确定性估计（OOD）数据。其次，我们在2D玩具示例中显示了BNN和MCDRopout在OOD样品上没有提供高不确定性估计。最后，我们凭经验展示了这种BNNS和MCDRopout的陷阱也在现实世界数据集中持有。我们的见解（i）提高了对深度学习中目前流行的UE方法更加谨慎使用的认识，（ii）鼓励开发UE方法，这些方法近似于基于GP的方法 - 而不是BNN和MCDROPOUT，以及我们的经验设置可用于验证任何其他UE方法的ood性能。源代码在https://github.com/epfml/unctemationsiapity-娱乐中获得。

神经切线核是根据无限宽度神经网络的参数分布定义的内核函数。尽管该极限不切实际，但神经切线内核允许对神经网络进行更直接的研究，并凝视着黑匣子的面纱。最近，从理论上讲，Laplace内核和神经切线内核在$ \ Mathbb {S}}^{D-1} $中共享相同的复制核Hilbert空间，暗示了它们的等价。在这项工作中，我们分析了两个内核的实际等效性。我们首先是通过与核的准确匹配，然后通过与高斯过程的后代匹配来进行匹配。此外，我们分析了$ \ mathbb {r}^d $中的内核，并在回归任务中进行实验。

Whilst deep neural networks have shown great empirical success, there is still much work to be done to understand their theoretical properties. In this paper, we study the relationship between random, wide, fully connected, feedforward networks with more than one hidden layer and Gaussian processes with a recursive kernel definition. We show that, under broad conditions, as we make the architecture increasingly wide, the implied random function converges in distribution to a Gaussian process, formalising and extending existing results by Neal (1996) to deep networks. To evaluate convergence rates empirically, we use maximum mean discrepancy. We then compare finite Bayesian deep networks from the literature to Gaussian processes in terms of the key predictive quantities of interest, finding that in some cases the agreement can be very close. We discuss the desirability of Gaussian process behaviour and review non-Gaussian alternative models from the literature. 1

我们研究了回归中神经网络（NNS）的模型不确定性的方法。为了隔离模型不确定性的效果，我们专注于稀缺训练数据的无噪声环境。我们介绍了关于任何方法都应满足的模型不确定性的五个重要的逃亡者。但是，我们发现，建立的基准通常无法可靠地捕获其中一些逃避者，即使是贝叶斯理论要求的基准。为了解决这个问题，我们介绍了一种新方法来捕获NNS的模型不确定性，我们称之为基于神经优化的模型不确定性（NOMU）。 NOMU的主要思想是设计一个由两个连接的子NN组成的网络体系结构，一个用于模型预测，一个用于模型不确定性，并使用精心设计的损耗函数进行训练。重要的是，我们的设计执行NOMU满足我们的五个Desiderata。由于其模块化体系结构，NOMU可以为任何给定（先前训练）NN提供模型不确定性，如果访问其培训数据。我们在各种回归任务和无嘈杂的贝叶斯优化（BO）中评估NOMU，并具有昂贵的评估。在回归中，NOMU至少和最先进的方法。在BO中，Nomu甚至胜过所有考虑的基准。

贝叶斯神经网络和深度集合代表了深入学习中不确定性量化的两种现代范式。然而，这些方法主要因内存低效率问题而争取，因为它们需要比其确定性对应物高出几倍的参数储存。为了解决这个问题，我们使用少量诱导重量增强每层的重量矩阵，从而将不确定性定量突出到这种低尺寸空间中。我们进一步扩展了Matheron的有条件高斯采样规则，以实现快速的重量采样，这使得我们的推理方法能够与合并相比保持合理的运行时间。重要的是，我们的方法在具有完全连接的神经网络和RESNET的预测和不确定性估算任务中实现了竞争性能，同时将参数大小减少到$单辆$ \ LEQ 24.3 \％$的参数大小神经网络。

目前，难以获得贝叶斯方法深入学习的好处，这允许明确的知识规范，准确地捕获模型不确定性。我们呈现先前数据拟合网络（PFN）。 PFN利用大规模机器学习技术来近似一组一组后索。 PFN唯一要求工作的要求是能够从先前分配通过监督的学习任务（或函数）来采样。我们的方法将后近似的目标重新定为具有带有值的输入的监督分类问题：它反复从先前绘制任务（或功能），从中绘制一组数据点及其标签，掩盖其中一个标签并学习基于其余数据点的设定值输入对其进行概率预测。呈现来自新的监督学习任务的一组样本作为输入，PFNS在单个前向传播中对任意其他数据点进行概率预测，从而学习到近似贝叶斯推断。我们展示了PFN可以接近完全模仿高斯过程，并且还可以实现高效的贝叶斯推理对难以处理的问题，与当前方法相比，多个设置中有超过200倍的加速。我们在非常多样化的地区获得强烈的结果，如高斯过程回归，贝叶斯神经网络，小型表格数据集的分类，以及少量图像分类，展示了PFN的一般性。代码和培训的PFN在https://github.com/automl/transformerscandobayesianinference发布。

我们研究神经网络量子状态的无限限制（$ \ idty $ -nnqs），它通过集合统计表现出代表性，以及易衰减的梯度下降动态。根据神经网络相关器表示瑞尼熵的集合平均值，并提出了表现出体积法纠缠的架构。开发了一种用于研究神经网络量子状态（NNQS）的梯度下降动态的一般框架，使用量子状态神经切线内核（QS-NTK）。对于$ \ infty $ -nnqs，简化了训练动态，因为QS-NTK变为确定性和常数。导出分析解决方案用于量子州监督学习，允许$ \ infty $ -nnqs恢复任何目标波段。横向场介绍模型有限和无限NNQ的数值实验和Fermi Hubbard模型表现出与理论的优秀协议。 $ \ infty $ -nnqs开辟了研究其他物理应用中的纠缠和培训动态的新机会，例如在寻找基地。

对具有无限宽度的神经网络的研究对于更好地理解实际应用中的神经网络很重要。在这项工作中，我们得出了深，无限宽度的Maxout网络和高斯过程（GP）的等效性，并用组成结构表征Maxout内核。此外，我们建立了深厚的Maxout网络内核与深神经网络内核之间的联系。我们还提供了有效的数值实现，可以适应任何麦克斯特等级。数值结果表明，与有限宽度的对应物和深神经网络内核相比，基于深层Maxout网络内核进行贝叶斯推论可能会导致竞争成果。这使我们启发了麦克斯的激活也可以纳入其他无限宽度神经网络结构，例如卷积神经网络（CNN）。

权重规范$ \ | w \ | $和保证金$ \ gamma $通过归一化的保证金$ \ gamma/\ | w \ | $参与学习理论。由于标准神经净优化器不能控制归一化的边缘，因此很难测试该数量是否与概括有关。本文设计了一系列实验研究，这些研究明确控制了归一化的边缘，从而解决了两个核心问题。首先：归一化的边缘是否总是对概括产生因果影响？本文发现，在归一化的边缘似乎与概括没有关系的情况下，可以与Bartlett等人的理论背道而驰。（2017）。第二：标准化边缘是否对概括有因果影响？该论文发现是的 - 在标准培训设置中，测试性能紧密跟踪了标准化的边距。该论文将高斯流程模型表示为这种行为的有前途的解释。