我们使用Relu激活功能调查一个隐藏层网络的Fisher信息矩阵（FIM），并在某些条件下获得FIM的近似光谱分解。从这种分解中，我们可以近似主要特征值和特征向量。我们通过数值模拟确认，当隐藏节点的数量约为10000时，所获得的分解大致正确。

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 $）。

The phenomenon of benign overfitting is one of the key mysteries uncovered by deep learning methodology: deep neural networks seem to predict well, even with a perfect fit to noisy training data. Motivated by this phenomenon, we consider when a perfect fit to training data in linear regression is compatible with accurate prediction. We give a characterization of linear regression problems for which the minimum norm interpolating prediction rule has near-optimal prediction accuracy. The characterization is in terms of two notions of the effective rank of the data covariance. It shows that overparameterization is essential for benign overfitting in this setting: the number of directions in parameter space that are unimportant for prediction must significantly exceed the sample size. By studying examples of data covariance properties that this characterization shows are required for benign overfitting, we find an important role for finite-dimensional data: the accuracy of the minimum norm interpolating prediction rule approaches the best possible accuracy for a much narrower range of properties of the data distribution when the data lies in an infinite dimensional space versus when the data lies in a finite dimensional space whose dimension grows faster than the sample size.

古典统计学习理论表示，拟合太多参数导致过度舒服和性能差。尽管大量参数矛盾，但是现代深度神经网络概括了这一发现，并构成了解释深度学习成功的主要未解决的问题。随机梯度下降（SGD）引起的隐式正规被认为是重要的，但其特定原则仍然是未知的。在这项工作中，我们研究了当地最小值周围的能量景观的局部几何学如何影响SGD的统计特性，具有高斯梯度噪声。我们争辩说，在合理的假设下，局部几何形状力强制SGD保持接近低维子空间，这会引起隐式正则化并导致深神经网络的泛化误差界定更严格的界限。为了获得神经网络的泛化误差界限，我们首先引入局部最小值周围的停滞迹象，并施加人口风险的局部基本凸性财产。在这些条件下，推导出SGD的下界，以保留在这些停滞套件中。如果发生停滞，我们会导出涉及权重矩阵的光谱规范的深神经网络的泛化误差的界限，但不是网络参数的数量。从技术上讲，我们的证据基于控制SGD中的参数值的变化以及基于局部最小值周围的合适邻域的熵迭代的参数值和局部均匀收敛。我们的工作试图通过统一收敛更好地连接非凸优化和泛化分析。

训练神经网络的一种常见方法是将所有权重初始化为独立的高斯向量。我们观察到，通过将权重初始化为独立对，每对由两个相同的高斯向量组成，我们可以显着改善收敛分析。虽然已经研究了类似的技术来进行随机输入[Daniely，Neurips 2020]，但尚未使用任意输入进行分析。使用此技术，我们展示了如何显着减少两层relu网络所需的神经元数量，均在逻辑损失的参数化设置不足的情况下，大约$ \ gamma^{ - 8} $ [Ji and telgarsky，ICLR， 2020]至$ \ gamma^{ - 2} $，其中$ \ gamma $表示带有神经切线内核的分离边距，以及在与平方损失的过度参数化设置中，从大约$ n^4 $ [song [song]和Yang，2019年]至$ n^2 $，隐含地改善了[Brand，Peng，Song和Weinstein，ITCS 2021]的近期运行时间。对于参数不足的设置，我们还证明了在先前工作时改善的新下限，并且在某些假设下是最好的。

深度分离结果提出了对深度神经网络过较浅的架构的好处的理论解释，建立前者具有卓越的近似能力。然而，没有已知的结果，其中更深的架构利用这种优势成为可提供的优化保证。我们证明，当数据由具有满足某些温和假设的径向对称的分布产生的数据时，梯度下降可以使用具有两层S形激活的深度2神经网络有效地学习球指示器功能，并且隐藏层固定在一起训练。由于众所周知，当使用用单层非线性的深度2网络（Safran和Shamir，2017）使用深度2网络时，球指示器难以近似于一定的重型分配，这建立了我们最好的知识，基于第一优化的分离结果，其中近似架构的近似效益在实践中可怕的。我们的证明技术依赖于随机特征方法，该方法减少了用单个神经元学习的问题，其中新工具需要在数据分布重尾时显示梯度下降的收敛。

我们在随机特征矩阵的条件数上提供（高概率）界限。特别是，我们表明，如果复杂性比率$ \ frac {n} $ where $ n $是n $ with n $ wore $ n $是$ m $的数量，如$ \ log ^ {-1}（ n）$或$ \ log（m）$，然后随机功能矩阵很好。该结果在没有正则化的情况下保持并且依赖于在随机特征矩阵的相关组件之间建立各种浓度界限。另外，我们在随机特征矩阵的受限等距常数上获得界限。我们证明了使用随机特征矩阵的回归问题相关的风险表现出双重下降现象，并且这是条件数的双缩小行为的效果。风险范围包括使用最小二乘问题的underParamedAimed设置和使用最小规范插值问题或稀疏回归问题的过次参数化设置。对于最小二乘或稀疏的回归案例，我们表明风险降低为$ M $和$ N $增加，即使在存在有限或随机噪声时也是如此。风险绑定与文献中的最佳缩放匹配，我们的结果中的常量是显式的，并且独立于数据的维度。

We consider the random feature ridge regression (RFRR) given by a two-layer neural network at random initialization. We study the non-asymptotic behaviors of the training error, cross-validations, and generalization error of RFRR with nearly orthogonal deterministic input data in the overparameterized regime, where the number of parameters $N$ is much larger than the sample size $n$. We respectively establish the concentrations of the training errors, cross-validations, and generalization errors of RFRR around their corresponding errors of kernel ridge regression (KRR). This KRR is defined by an expected kernel from a random feature map. We then approximate the performances of the KRR by a polynomial kernel matrix, whose degree only depends on the orthogonality among different input vectors. The degree of this polynomial kernel essentially determines the asymptotic behavior of RFRR and KRR. Our results hold for a general class of target functions and input data with weak approximate orthonormal properties among different data points. Based on these approximations and nearly orthogonality, we obtain a lower bound for the generalization error of RFRR.

The fundamental learning theory behind neural networks remains largely open. What classes of functions can neural networks actually learn? Why doesn't the trained network overfit when it is overparameterized?In this work, we prove that overparameterized neural networks can learn some notable concept classes, including two and three-layer networks with fewer parameters and smooth activations. Moreover, the learning can be simply done by SGD (stochastic gradient descent) or its variants in polynomial time using polynomially many samples. The sample complexity can also be almost independent of the number of parameters in the network.On the technique side, our analysis goes beyond the so-called NTK (neural tangent kernel) linearization of neural networks in prior works. We establish a new notion of quadratic approximation of the neural network (that can be viewed as a second-order variant of NTK), and connect it to the SGD theory of escaping saddle points.

支持向量机（SVM）是一种完善的分类方法，其名称指的是称为支持向量的特定训练示例，该示例确定了分离超平面的最大边缘。与培训示例相比，当支持向量的数量少时，SVM分类器享有良好的概括属性。但是，最近的研究表明，在足够高维的线性分类问题中，尽管支持向量的扩散，但在所有训练示例都是支持向量的情况下，SVM仍可以很好地概括。在本文中，我们确定了这种支持矢量增殖现象的新的确定性等效性，并使用它们来（1）实质上扩大了该现象在高维环境中发生的条件，并且（2）证明了几乎匹配的逆向结果。

成功的深度学习模型往往涉及培训具有比训练样本数量更多的参数的神经网络架构。近年来已经广泛研究了这种超分子化的模型，并且通过双下降现象和通过优化景观的结构特性，从统计的角度和计算视角都建立了过分统计化的优点。尽管在过上分层的制度中深入学习架构的显着成功，但也众所周知，这些模型对其投入中的小对抗扰动感到高度脆弱。即使在普遍培训的情况下，它们在扰动输入（鲁棒泛化）上的性能也会比良性输入（标准概括）的最佳可达到的性能更糟糕。因此，必须了解如何从根本上影响稳健性的情况下如何影响鲁棒性。在本文中，我们将通过专注于随机特征回归模型（具有随机第一层权重的两层神经网络）来提供超分度化对鲁棒性的作用的精确表征。我们考虑一个制度，其中样本量，输入维度和参数的数量彼此成比例地生长，并且当模型发生前列地训练时，可以为鲁棒泛化误差导出渐近精确的公式。我们的发达理论揭示了过分统计化对鲁棒性的非竞争效果，表明对于普遍训练的随机特征模型，高度公正化可能会损害鲁棒泛化。

要了解深层relu网络的动态，我们通过将其分解为级级$ w（t）$ and Angle $ \ phi（t）：= \ pi- \ theta，研究了梯度流量$ W（t）$的动态系统（t）$组件。特别是，对于具有球形对称数据分布和平方损耗函数的多层单晶元神经元，我们为大小和角度成分提供上限和下限，以描述梯度流动的动力学。使用获得的边界，我们得出结论，小规模初始化会导致深单重质神经元的缓慢收敛速度。最后，通过利用梯度流和梯度下降的关系，我们将结果扩展到梯度下降方法。所有理论结果均通过实验验证。

本文研究了基于Laplacian Eigenmaps（Le）的基于Laplacian EIGENMAPS（PCR-LE）的主要成分回归的统计性质，这是基于Laplacian Eigenmaps（Le）的非参数回归的方法。 PCR-LE通过投影观察到的响应的向量$ {\ bf y} =（y_1，\ ldots，y_n）$ to to changbood图表拉普拉斯的某些特征向量跨越的子空间。我们表明PCR-Le通过SoboLev空格实现了随机设计回归的最小收敛速率。在设计密度$ P $的足够平滑条件下，PCR-le达到估计的最佳速率（其中已知平方$ l ^ 2 $ norm的最佳速率为$ n ^ { - 2s /（2s + d） ）} $）和健美的测试（$ n ^ { - 4s /（4s + d）$）。我们还表明PCR-LE是\ EMPH {歧管Adaptive}：即，我们考虑在小型内在维度$ M $的歧管上支持设计的情况，并为PCR-LE提供更快的界限Minimax估计（$ n ^ { - 2s /（2s + m）$）和测试（$ n ^ { - 4s /（4s + m）$）收敛率。有趣的是，这些利率几乎总是比图形拉普拉斯特征向量的已知收敛率更快;换句话说，对于这个问题的回归估计的特征似乎更容易，统计上讲，而不是估计特征本身。我们通过经验证据支持这些理论结果。

现代神经网络通常具有很大的表现力，并且可以接受训练以使培训数据过高，同时仍能达到良好的测试性能。这种现象被称为“良性过度拟合”。最近，从理论角度出现了一系列研究“良性过度拟合”的作品。但是，它们仅限于线性模型或内核/随机特征模型，并且仍然缺乏关于何时以及如何在神经网络中发生过度拟合的理论理解。在本文中，我们研究了训练两层卷积神经网络（CNN）的良性过度拟合现象。我们表明，当信噪比满足一定条件时，通过梯度下降训练的两层CNN可以实现任意小的训练和测试损失。另一方面，当这种情况无法成立时，过度拟合就会有害，并且获得的CNN只能实现恒定的测试损失。这些共同证明了由信噪比驱动的良性过度拟合和有害过度拟合之间的急剧过渡。据我们所知，这是第一部精确地表征良性过度拟合在训练卷积神经网络中的条件的工作。

对于由缺陷线性回归中的标签噪声引起的预期平均平方概率，我们证明了无渐近分布的下限。我们的下部结合概括了过度公共数据（内插）制度的类似已知结果。与最先前的作品相比，我们的分析适用于广泛的输入分布，几乎肯定的全排列功能矩阵，允许我们涵盖各种类型的确定性或随机特征映射。我们的下限是渐近的锐利，暗示在存在标签噪声时，缺陷的线性回归不会在任何这些特征映射中围绕内插阈值进行良好的。我们详细分析了强加的假设，并为分析（随机）特征映射提供了理论。使用此理论，我们可以表明我们的假设对于具有（Lebesgue）密度的输入分布以及随机深神经网络给出的特征映射，具有Sigmoid，Tanh，SoftPlus或Gelu等分析激活功能。作为进一步的例子，我们示出了来自随机傅里叶特征和多项式内核的特征映射也满足我们的假设。通过进一步的实验和分析结果，我们补充了我们的理论。

低维歧管假设认为，在许多应用中发现的数据，例如涉及自然图像的数据（大约）位于嵌入高维欧几里得空间中的低维歧管上。在这种情况下，典型的神经网络定义了一个函数，该函数在嵌入空间中以有限数量的向量作为输入。但是，通常需要考虑在训练分布以外的点上评估优化网络。本文考虑了培训数据以$ \ mathbb r^d $的线性子空间分配的情况。我们得出对由神经网络定义的学习函数变化的估计值，沿横向子空间的方向。我们研究了数据歧管的编纂中与网络的深度和噪声相关的潜在正则化效应。由于存在噪声，我们还提出了训练中的其他副作用。

In many modern applications of deep learning the neural network has many more parameters than the data points used for its training. Motivated by those practices, a large body of recent theoretical research has been devoted to studying overparameterized models. One of the central phenomena in this regime is the ability of the model to interpolate noisy data, but still have test error lower than the amount of noise in that data. arXiv:1906.11300 characterized for which covariance structure of the data such a phenomenon can happen in linear regression if one considers the interpolating solution with minimum $\ell_2$-norm and the data has independent components: they gave a sharp bound on the variance term and showed that it can be small if and only if the data covariance has high effective rank in a subspace of small co-dimension. We strengthen and complete their results by eliminating the independence assumption and providing sharp bounds for the bias term. Thus, our results apply in a much more general setting than those of arXiv:1906.11300, e.g., kernel regression, and not only characterize how the noise is damped but also which part of the true signal is learned. Moreover, we extend the result to the setting of ridge regression, which allows us to explain another interesting phenomenon: we give general sufficient conditions under which the optimal regularization is negative.

ML的梯度下降的成功尤其是学习神经网络是显着的和稳健的。在大脑如何学习的背景下，似乎在生物学上难以实现（如果不是难以判断）的梯度下降的一个方面是，其更新依赖于通过相同的连接到更早层的反馈。这种双向链路在脑网络中相对较少，即使存在互易连接时，它们也可能不等级。随机反馈对准（LillicRap等，2016），后向后重量是随机的和固定的，已经提出作为生物合理的替代品，并发现凭经验有效。我们调查如何以及当反馈对齐（FA）工作的方式，重点关注分层结构的最基本问题之一 - 低秩矩阵分解。在这个问题中，给定矩阵$ y_ {n \ times m} $，目标是找到低秩分解$ z_ {n \ times r} w_ {r \ times m} $，从而最小化错误$ \ | zw - 我\ | _f $。梯度血压最佳地解决了这个问题。我们显示FA收敛于当$ r \ ge \ mbox {rank}（y）$时收敛到最佳解决方案。我们还阐明了Fa工作的方式。经验上观察到前进权重矩阵和（随机）反馈矩阵在FA更新期间更接近。我们的分析严格地源地源于这种现象，并展示了如何促进FA的收敛。我们还表明，当$ r <\ mbox {rank}（y）$时，FA可能远非最佳。这是梯度下降和FA之间的第一个可提供的分离结果。此外，即使当它们的错误$ \ | zw-y \ | _f $大致相等时，梯度下降和fa发现的表示也可能是几乎正交的。

我们研究神经网络的基于规范的统一收敛范围，旨在密切理解它们如何受到规范约束的架构和类型的影响，对于简单的标量价值一类隐藏的一层网络，并在其中界定了输入。欧几里得规范。我们首先证明，通常，控制隐藏层重量矩阵的光谱规范不足以获得均匀的收敛保证（与网络宽度无关），而更强的Frobenius Norm Control是足够的，扩展并改善了以前的工作。在证明构造中，我们识别和分析了两个重要的设置，在这些设置中（可能令人惊讶）仅光谱规范控制就足够了：首先，当网络的激活函数足够平滑时（结果扩展到更深的网络）；其次，对于某些类型的卷积网络。在后一种情况下，我们研究样品复杂性如何受到参数的影响，例如斑块之间的重叠量和斑块的总数。

神经网络模型的最新成功揭示了一种令人惊讶的统计现象：完全拟合噪声数据的统计模型可以很好地推广到看不见的测试数据。了解$ \ textit {良性过拟合} $的这种现象吸引了强烈的理论和经验研究。在本文中，我们考虑插值两层线性神经网络在平方损失上梯度流训练，当协变量满足亚高斯和抗浓度的特性时，在平方损耗上训练，并在多余的风险上获得界限，并且噪声是独立和次级高斯的。。通过利用最新的结果来表征该估计器的隐性偏见，我们的边界强调了初始化质量的作用以及数据协方差矩阵在实现低过量风险中的特性。