We investigate the asymptotic properties of deep Residual networks (ResNets) as the number of layers increases. We first show the existence of scaling regimes for trained weights markedly different from those implicitly assumed in the neural ODE literature. We study the convergence of the hidden state dynamics in these scaling regimes, showing that one may obtain an ODE, a stochastic differential equation (SDE) or neither of these. In particular, our findings point to the existence of a diffusive regime in which the deep network limit is described by a class of stochastic differential equations (SDEs). Finally, we derive the corresponding scaling limits for the backpropagation dynamics.

深度重新结合因实现最新的机器学习任务而被认可。但是，这些体系结构的出色性能取决于培训程序，需要精心制作以避免消失或爆炸梯度，尤其是随着深度$ l $的增加。关于如何减轻此问题，尚无共识，尽管广泛讨论的策略在于将每一层的输出缩放为$ \ alpha_l $。我们在概率环境中显示标准I.I.D.初始化，唯一的非平凡动力学是$ \ alpha_l = 1/\ sqrt {l} $（其他选择导致爆炸或身份映射）。该缩放因子在连续的时间限制中对应于神经随机微分方程，这与广泛的解释相反，即深度重新连接是神经普通微分方程的离散化。相比之下，在后一种制度中，具有特定相关初始化和$ \ alpha_l = 1/l $获得稳定性。我们的分析表明，与层指数的函数之间的缩放比例和规律性之间存在很强的相互作用。最后，在一系列实验中，我们表现出由这两个参数驱动的连续范围，这在训练之前和之后会共同影响性能。

我们为研究通过将噪声注入隐藏状态而训练的经常性神经网络（RNN）提供了一般框架。具体地，我们考虑RNN，其可以被视为由输入数据驱动的随机微分方程的离散化。该框架允许我们通过在小噪声制度中导出近似显式规范器来研究一般噪声注入方案的隐式正则化效果。我们发现，在合理的假设下，这种隐含的正规化促进了更平坦的最小值;它偏向具有更稳定动态的模型;并且，在分类任务中，它有利于具有较大分类余量的模型。获得了全局稳定性的充分条件，突出了随机稳定的现象，其中噪音注入可以在训练期间提高稳定性。我们的理论得到了经验结果支持，证明RNN对各种输入扰动具有改善的鲁棒性。

The logit outputs of a feedforward neural network at initialization are conditionally Gaussian, given a random covariance matrix defined by the penultimate layer. In this work, we study the distribution of this random matrix. Recent work has shown that shaping the activation function as network depth grows large is necessary for this covariance matrix to be non-degenerate. However, the current infinite-width-style understanding of this shaping method is unsatisfactory for large depth: infinite-width analyses ignore the microscopic fluctuations from layer to layer, but these fluctuations accumulate over many layers. To overcome this shortcoming, we study the random covariance matrix in the shaped infinite-depth-and-width limit. We identify the precise scaling of the activation function necessary to arrive at a non-trivial limit, and show that the random covariance matrix is governed by a stochastic differential equation (SDE) that we call the Neural Covariance SDE. Using simulations, we show that the SDE closely matches the distribution of the random covariance matrix of finite networks. Additionally, we recover an if-and-only-if condition for exploding and vanishing norms of large shaped networks based on the activation function.

显示了最佳的收敛速率，显示了对保守随机偏微分方程的平均场限制对解决方案解决方案解决方案解决方案的收敛。作为第二个主要结果，该SPDE的定量中心极限定理再次得出，并以最佳的收敛速率得出。该结果尤其适用于在过叠层化的，浅的神经网络中与SPDES溶液中随机梯度下降动力学的平均场缩放率的收敛性。结果表明，在限制SPDE中包含波动可以提高收敛速度，并保留有关随机梯度下降的波动的信息。

在本文中，我们将Wiener-Ito混乱分解扩展到扩散过程的类别，其漂移和扩散系数具有线性生长。通过省略混乱扩展中的正交性，我们能够证明，对于[1，\ infty）$中的$ p \ in [1，\ infty）$的每个$ p $积分功能都可以表示为基础过程的迭代积分的总和。使用此扩展的截断和（可能是随机的）神经网络的截断总和，在机器学习设置中学习了参数，我们证明，每个财务衍生物都可以在$ l^p $ sense中任意地近似。此外，可以以封闭形式计算近似财务导数的对冲策略。

在本文中，我们提出了一种基于深度学习的数值方案，用于强烈耦合FBSDE，这是由随机控制引起的。这是对深度BSDE方法的修改，其中向后方程的初始值不是一个免费参数，并且新的损失函数是控制问题的成本的加权总和，而差异项与与该的差异相吻合终端条件下的平均误差。我们通过一个数值示例表明，经典深度BSDE方法的直接扩展为FBSDE，失败了简单的线性季度控制问题，并激励新方法为何工作。在定期和有限性的假设上，对时间连续和时间离散控制问题的确切控制，我们为我们的方法提供了错误分析。我们从经验上表明，该方法收敛于三个不同的问题，一个方法是直接扩展Deep BSDE方法的问题。

我们研究了在高维度中具有恒定步骤的随机梯度下降（SGD）的缩放限制。我们证明，随着尺寸为无穷大，SGD的摘要统计轨迹（即有限维函数）的轨迹限制了定理。我们的方法允许人们选择所跟踪的摘要统计信息，初始化和步进尺寸。它同时产生弹道（ODE）和扩散（SDE）极限，其极限取决于以前的选择。有趣的是，我们发现了阶梯尺寸的临界缩放机制，在该尺寸下，有效的弹道动力学与人口损失相匹配，但是在此期间，出现了一个新的校正项，从而改变了相图。关于这种有效动力学的固定点，相应的扩散极限可能非常复杂，甚至退化。我们在流行示例中演示了我们的方法，包括估算峰值矩阵和张量模型以及通过两层网络进行二进制和XOR型高斯混合模型的分类。这些示例表现出令人惊讶的现象，包括多模式的时间尺度到收敛以及融合到亚最佳溶液中，概率从随机（例如高斯）初始化范围内偏离零。

在一个拟合训练数据的深度神经网络（NN）中找到参数是一个非渗透优化问题，但基本的一阶优化方法（梯度下降）在许多实际情况下，具有完美拟合（零损失）的全局优化器。我们在限制性制度中检查残留神经网络（Reset）的剩余神经网络（Reset）的情况的这种现象，其中每个层（宽度）的层数（深度）和权重的数量均转到无穷大。首先，我们使用平均场限制参数来证明参数训练的梯度下降成为概率分布的梯度流，其特征在于大NN限制中的部分微分方程（PDE）。接下来，我们表明，在某些假设下，PDE的解决方案在训练时间内收敛到零损失解决方案。这些结果表明，如果Reset足够大，则reset的培训给出了近零损失。我们给出了减少给定阈值以下低于给定阈值的损失所需的深度和宽度的估计值。

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。

了解随机梯度下降（SGD）的隐式偏见是深度学习的关键挑战之一，尤其是对于过度透明的模型，损失功能的局部最小化$ l $可以形成多种多样的模型。从直觉上讲，SGD $ \ eta $的学习率很小，SGD跟踪梯度下降（GD），直到它接近这种歧管为止，梯度噪声阻止了进一步的收敛。在这样的政权中，Blanc等人。 （2020）证明，带有标签噪声的SGD局部降低了常规术语，损失的清晰度，$ \ mathrm {tr} [\ nabla^2 l] $。当前的论文通过调整Katzenberger（1991）的想法提供了一个总体框架。它原则上允许使用随机微分方程（SDE）描述参数的限制动力学的SGD围绕此歧管的正规化效应（即“隐式偏见”）的正则化效应，这是由损失共同确定的功能和噪声协方差。这产生了一些新的结果：（1）与Blanc等人的局部分析相比，对$ \ eta^{ - 2} $ steps有效的隐性偏差进行了全局分析。 （2020）仅适用于$ \ eta^{ - 1.6} $ steps和（2）允许任意噪声协方差。作为一个应用程序，我们以任意大的初始化显示，标签噪声SGD始终可以逃脱内核制度，并且仅需要$ o（\ kappa \ ln d）$样本用于学习$ \ kappa $ -sparse $ -sparse yroverparame parametrized linearized Linear Modal in $ \ Mathbb {r}^d $（Woodworth等，2020），而GD在内核制度中初始化的GD需要$ \ omega（d）$样本。该上限是最小值的最佳，并改善了先前的$ \ tilde {o}（\ kappa^2）$上限（Haochen等，2020）。

本文涉及由马尔可夫噪声驱动的随机近似的收敛和渐近统计：$$ \ theta_ {n + 1} = \ theta_n + \ alpha_ {n + 1} f（\ theta_n，\ phi_ {n + 1}）\， ，\ quad n \ ge 0，$$，其中每个$ \ theta_n \ in \ re ^ d $，$ \ {\ phi_n \} $是一般状态空间x上的马尔可夫链，静止分配$ \ pi $和$ f：\ re ^ d \ times \ text {x} \ to \ re ^ d $。除了在$ f $的标准lipschitz边界，以及消失的步骤大小序列$ \ {\ alpha_n \ \} $的条件外，假设相关ode是全局渐近稳定的静止点表示$ \ theta ^ * $ ，其中$ \ bar f（\ theta）= e [f（\ theta，\ phi）] $ with $ \ phi \ sim \ pi $。而且，ode @ $ \ infty $ virect with advoore字段，$$ \ bar f_ \ idty（\ theta）：= \ lim_ {r \ to \ infty} r ^ { - 1} \ bar f（r \ theta）\ ,, \ qquad \ theta \ in \ re ^ d，$$是渐近稳定的。主要贡献总结如下：（i）如果$ \ phi $是几何ergodic，则序列$ \ theta $是融合的，并且在$ f $兼容兼容的界限。剩余的结果是在马尔可夫链的更强大假设下建立：Donsker-varadhan Lyapunov漂移条件的稍微弱版本（DV3）。 （ii）为联合过程$ \ {\ theta_n，\ phi_n \} $构建Lyapunov函数，这意味着$ \ {\ theta_n \} $ in $ l_4 $的融合。 （iii）建立了功能性CLT，以及归一化误差$ z_n：=（\ theta_n- \ theta ^ *）/ \ sqrt {\ alpha_n} $的常规一维CLT。时刻界限结合了CLT暗示了归一化协方差的收敛，$$ \ lim_ {n \ to \ infty} e [z_n z_n ^ t] = \ sigma_ \ theta，$$在$ \ sigma_ \ theta $ where asbptotic协方差出现在CLT中。 （iv）提供了一个例子，其中马尔可夫链$ \ phi $是几何ergodic，但它不满足（dv3）。虽然算法收敛，但第二个时刻是无限的。

连续数据的优化问题出现在，例如强大的机器学习，功能数据分析和变分推理。这里，目标函数被给出为一个（连续）索引目标函数的系列 - 相对于概率测量集成的族聚集。这些问题通常可以通过随机优化方法解决：在随机切换指标执行关于索引目标函数的优化步骤。在这项工作中，我们研究了随机梯度下降算法的连续时间变量，以进行连续数据的优化问题。该所谓的随机梯度过程包括最小化耦合与确定索引的连续时间索引过程的索引目标函数的梯度流程。索引过程是例如，反射扩散，纯跳跃过程或紧凑空间上的其他L evy过程。因此，我们研究了用于连续数据空间的多种采样模式，并允许在算法的运行时进行模拟或流式流的数据。我们分析了随机梯度过程的近似性质，并在恒定下进行了长时间行为和遍历的学习率。我们以噪声功能数据的多项式回归问题以及物理知识的神经网络在多项式回归问题中结束了随机梯度过程的适用性。

Consider the multivariate nonparametric regression model. It is shown that estimators based on sparsely connected deep neural networks with ReLU activation function and properly chosen network architecture achieve the minimax rates of convergence (up to log nfactors) under a general composition assumption on the regression function. The framework includes many well-studied structural constraints such as (generalized) additive models. While there is a lot of flexibility in the network architecture, the tuning parameter is the sparsity of the network. Specifically, we consider large networks with number of potential network parameters exceeding the sample size. The analysis gives some insights into why multilayer feedforward neural networks perform well in practice. Interestingly, for ReLU activation function the depth (number of layers) of the neural network architectures plays an important role and our theory suggests that for nonparametric regression, scaling the network depth with the sample size is natural. It is also shown that under the composition assumption wavelet estimators can only achieve suboptimal rates.

神经普通微分方程（神经ODE）是残留神经网络（RESNETS）的连续类似物。我们研究了重新NET定义的离散动力学是否接近连续的神经颂歌。我们首先量化了Resnet的隐藏状态轨迹与其相应神经ODE的解之间的距离。我们的界限很紧，在负面的一侧，如果残留函数的深度不光滑，则不会以深度为0。在正面，我们表明这种平滑度是通过梯度下降来保留的，该梯度下降具有线性残留功能和足够小的初始损失的重新系统。它确保在n上以1的速率1均匀地沿速率1的速率和优化时间对极限神经的隐式正则化。作为我们分析的副产品，我们考虑使用不含内存的离散伴随方法来训练重新NET，通过通过网络的向后传动恢复激活，并证明该方法理论上在大深度上取得了成功，如果残留功能是带有输入的Lipschitz。然后，我们证明HEUN的方法是一种二阶Ode集成方案，当残留函数及其深度平滑时，使用伴随方法进行更好的梯度估计。我们通过实验验证我们的伴随方法在很大程度上取得了成功，并且Heun方法需要更少的层才能成功。我们最终成功地使用了伴随方法来微调非常深的重新连接，而无需残留层的内存消耗。

We consider stochastic gradient descents on the space of large symmetric matrices of suitable functions that are invariant under permuting the rows and columns using the same permutation. We establish deterministic limits of these random curves as the dimensions of the matrices go to infinity while the entries remain bounded. Under a "small noise" assumption the limit is shown to be the gradient flow of functions on graphons whose existence was established in arXiv:2111.09459. We also consider limits of stochastic gradient descents with added properly scaled reflected Brownian noise. The limiting curve of graphons is characterized by a family of stochastic differential equations with reflections and can be thought of as an extension of the classical McKean-Vlasov limit for interacting diffusions. The proofs introduce a family of infinite-dimensional exchangeable arrays of reflected diffusions and a novel notion of propagation of chaos for large matrices of interacting diffusions.

深度神经网络和其他现代机器学习模型的培训通常包括解决高维且受大规模数据约束的非凸优化问题。在这里，基于动量的随机优化算法在近年来变得尤其流行。随机性来自数据亚采样，从而降低了计算成本。此外，动量和随机性都应该有助于算法克服当地的最小化器，并希望在全球范围内融合。从理论上讲，这种随机性和动量的结合被糟糕地理解。在这项工作中，我们建议并分析具有动量的随机梯度下降的连续时间模型。该模型是一个分段确定的马尔可夫过程，它通过阻尼不足的动态系统和通过动力学系统的随机切换来代表粒子运动。在我们的分析中，我们研究了长期限制，子采样到无填充采样极限以及动量到非摩托车的限制。我们对随着时间的推移降低动量的情况特别感兴趣：直觉上，动量有助于在算法的初始阶段克服局部最小值，但禁止后来快速收敛到全球最小化器。在凸度的假设下，当降低随时间的动量时，我们显示了动力学系统与全局最小化器的收敛性，并让子采样率转移到无穷大。然后，我们提出了一个稳定的，合成的离散方案，以从我们的连续时间动力学系统中构造算法。在数值实验中，我们研究了我们在凸面和非凸测试问题中的离散方案。此外，我们训练卷积神经网络解决CIFAR-10图像分类问题。在这里，与动量相比，我们的算法与随机梯度下降相比达到了竞争性结果。

通过结合适当的参数规范的动态控制和基于参数规范的Rademacher复杂性估计，通过随机梯度下降训练的深神经网络（SGD）的深度神经网络的概括误差界限。界限明确取决于训练轨迹的损失，并为包括多层感知器（MLP）（MLP）和卷积神经网络（CNN）在内的广泛网络体系结构工作。与其他基于统一的稳定性界限（例如基于统一的范围）相比，我们的边界不需要$ l $ -smoothness nonConvex损耗函数，并直接应用于SGD而不是随机Langevin梯度下降（SGLD）。数值结果表明，我们的边界对优化器和网络超参数的变化是不变且健壮的。

在分析过度参数化神经网络的训练动力学方面的最新进展主要集中在广泛的网络上，因此无法充分解决深度在深度学习中的作用。在这项工作中，我们介绍了第一个无限深层但狭窄的神经网络的训练保证。我们研究具有特定初始化的多层感知器（MLP）的无限深度极限，并使用NTK理论建立了可训练性保证。然后，我们将分析扩展到无限深的卷积神经网络（CNN），并进行简短的实验。

对于某种缩放的随机梯度下降（SGD）的初始化，已经显示宽神经网络（NN）通过再现核Hilbert空间（RKHS）方法来近似近似。最近的实证工作表明，对于某些分类任务，RKHS方法可以替换NNS而无需大量的性能损失。另一方面，已知两层NNS编码比RKHS更丰富的平滑度等级，并且我们知道SGD培训的NN可提供的特殊示例可提供胜过RKHS。即使在宽网络限制中，这也是如此，对于初始化的不同缩放。我们如何调和上述索赔？任务是否优于RKHS？如果协变量近在各向同性，RKHS方法患有维度的诅咒，而NNS可以通过学习最佳的低维表示来克服它。在这里，我们表明，如果协变量显示与目标函数相同的低维结构，则这种维度的这种诅咒变得更温和，并且我们精确地表征了这个权衡。在这些结果上建立，我们提出了可以在早期工作中观察到的统一框架中捕获的尖刺协变量模型。我们假设这种潜伏的低维结构存在于图像分类中。我们通过表明训练分配的特定扰动降低了比NN更大的更显高度显着的训练方法的特定扰动来测试这些假设。