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.

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。

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.

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 $）。

我们考虑与高斯数据的高维线性回归中的插值学习，并在类高斯宽度方面证明了任意假设类别中的内插器的泛化误差。将通用绑定到欧几里德常规球恢复了Bartlett等人的一致性结果。（2020）对于最小规范内插器，并确认周等人的预测。（2020）在高斯数据的特殊情况下，对于近乎最小常态的内插器。我们通过将其应用于单位来证明所界限的一般性，从而获得最小L1-NORM Interpoolator（基础追踪）的新型一致性结果。我们的结果表明，基于规范的泛化界限如何解释并用于分析良性过度装备，至少在某些设置中。

深度神经网络等现代机器学习系统通常高度参数化，以便它们可以完全符合嘈杂的培训数据，但它们仍然可以在实践中实现小的测试错误。在本文中，我们研究了线性分类问题的最大边缘分类器的“良性过度装备”现象。具体地，我们考虑从子高斯混合系统生成的数据，并为过参数化设置中的最大边距线性分类器提供紧密的风险。我们的结果精确地表征了线性分类问题中可能发生良性过度的条件，并改善以前的工作。它们也对过度参数化的逻辑回归有直接影响。

机器学习理论中的主要开放问题之一是表征过度参数化的政权中的概括，在该制度中，大多数传统的概括范围变得不一致。在许多情况下，它们的失败可以归因于掩盖训练算法与基础数据分布之间的关键相互作用。为了解决这一缺点，我们提出了一个名为兼容性的概念，该概念以与数据相关的和算法相关的方式定量地表征了概括。通过考虑整个训练轨迹并专注于早期迭代的迭代术，兼容性充分利用了算法信息，因此可以提供更好的概括保证。我们通过理论上研究与梯度下降过度参数化的线性回归设置的兼容性来验证这一点。具体而言，我们执行与数据相关的轨迹分析，并在这种设置下得出足够的兼容性条件。我们的理论结果表明，从兼容性的意义上讲，概括性对问题实例的限制明显弱，而不是上次迭代分析。

我们束缚了使用梯度流训练的深度线性网络的多余风险。在先前用于建立最小$ \ ell_2 $ -norm interpolant的风险范围的设置中，我们表明随机初始化的深线性网络可以紧密近似甚至匹配已知的范围，即最小$ \ ell_2 $ - norm interpolant。我们的分析还表明，插值深线性模型具有与最小$ \ ell_2 $ -Norm解决方案完全相同的条件差异。由于噪声仅通过条件差异影响多余的风险，因此这意味着深度并不能提高算法“隐藏噪声”的能力。我们的模拟验证了我们边界的各个方面反映了简单数据分布的典型行为。我们还发现，在具有Relu网络的模拟中也可以看到类似的现象，尽管情况更加细微。

我们研究了称为“乐观速率”（Panchenko 2002; Srebro等，2010）的统一收敛概念，用于与高斯数据的线性回归。我们的精致分析避免了现有结果中的隐藏常量和对数因子，这已知在高维设置中至关重要，特别是用于了解插值学习。作为一个特殊情况，我们的分析恢复了Koehler等人的保证。（2021年），在良性过度的过度条件下，严格地表征了低规范内插器的人口风险。但是，我们的乐观速度绑定还分析了具有任意训练错误的预测因子。这使我们能够在随机设计下恢复脊和套索回归的一些经典统计保障，并有助于我们在过度参数化制度中获得精确了解近端器的过度风险。

过度分化的神经网络倾向于完全符合嘈杂的训练数据，但在测试数据上概括。灵感来自这一实证观察，最近的工作试图了解在更简单的线性模型中的良性过度或无害插值的这种现象。以前的理论工作批判性地假设数据特征是统计独立的，或者输入数据是高维的;这会阻止具有结构化特征映射的一般非参数设置。在本文中，我们为再生内核希尔伯特空间中的上限回归和分类风险提供了一般和灵活的框架。关键贡献是我们的框架在数据革处矩阵上描述了精确的充分条件，在这种情况下发生无害的插值。我们的结果恢复了现有的独立功能结果（具有更简单的分析），但它们还表明，在更常规的环境中可能发生无害的插值，例如有界正常系统的功能。此外，我们的结果表明，以先前仅针对高斯特征的方式显示分类和回归性能之间的渐近分离。

我们研究了过度参数化模型中插值的必要性，也就是说，在实现机器学习问题的最佳预测风险时，需要（几乎）插值培训数据。特别是，我们考虑简单的过度参数性线性回归$ y = x \ theta + w $带随机设计$ x \ in \ mathbb {r}^{n \ times d} $在比例的渐近学$ d/n \ to \ gamma下\ in（1，\ infty）$。我们精确地表征了预测（测试）错误在此设置中必须使用训练错误缩放。这种表征的暗示是，作为标签噪声差异$ \ sigma^2 \至0 $，任何至少造成$ \ mathsf {c} \ sigma^4 $训练错误的估计器，对于某些常数$ \ mathsf {c}$必然是次优的，并且在训练错误中至少会遭受过多预测误差的增长。因此，最佳性能要求将培训数据拟合的精度要高于问题的固有噪声。

随机梯度下降（SGD）已被证明在许多深度学习应用中都很好地概括了。在实践中，人们经常以几何衰减的步骤运行SGD，即，恒定的初始步骤，然后是多个几何步骤衰减，并将最后一个迭代用作输出。已知这种SGD几乎对经典有限维线性回归问题几乎是最佳的（Ge等，2019）。但是，在过度参数化设置中对SGD的最后一次迭代进行了彻底的分析。在本文中，我们对SGD的最后一个迭代风险界限进行了依赖问题的分析，并具有腐烂的步骤，以（过度参数化）线性回归问题。特别是，对于带有（尾部）几何衰减步骤的最后迭代SGD，我们证明了多余风险的上限和下限几乎匹配。此外，我们为最后一次迭代的SGD提供了多余的风险下限，并以多项式衰减的步骤进行了大小，并以实例的方式证明了几何腐烂的步骤的优势，这补充了先前工作中的最小值比较。

本文探讨了可变参数化模型系列的线性回归的概括性损失，包括在参数化和过度参数化的模型中。我们表明，泛化曲线可以具有任意数量的峰值，而且可以明确地控制这些峰的位置。我们的结果突出了经典U形泛化曲线和最近观察到的双下降曲线的事实不是模型系列的内在特性。相反，它们的出现是由于数据的性质与学习算法的感应偏差之间的相互作用。

我们研究了非参数脊的最小二乘的学习属性。特别是，我们考虑常见的估计人的估计案例，由比例依赖性内核定义，并专注于规模的作用。这些估计器内插数据，可以显示规模来通过条件号控制其稳定性。我们的分析表明，这是不同的制度，具体取决于样本大小，其尺寸与问题的平滑度之间的相互作用。实际上，当样本大小小于数据维度中的指数时，可以选择比例，以便学习错误减少。随着样本尺寸变大，总体错误停止减小但有趣地可以选择规模，使得噪声引起的差异仍然存在界线。我们的分析结合了概率，具有来自插值理论的许多分析技术。

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。

强大的机器学习模型的开发中的一个重要障碍是协变量的转变，当训练和测试集的输入分布时发生的分配换档形式在条件标签分布保持不变时发生。尽管现实世界应用的协变量转变普遍存在，但在现代机器学习背景下的理论理解仍然缺乏。在这项工作中，我们检查协变量的随机特征回归的精确高尺度渐近性，并在该设置中提出了限制测试误差，偏差和方差的精确表征。我们的结果激发了一种自然部分秩序，通过协变速转移，提供足够的条件来确定何时何时损害（甚至有助于）测试性能。我们发现，过度分辨率模型表现出增强的协会转变的鲁棒性，为这种有趣现象提供了第一个理论解释之一。此外，我们的分析揭示了分销和分发外概率性能之间的精确线性关系，为这一令人惊讶的近期实证观察提供了解释。

我们提出和研究内核偶联梯度方法（KCGM），并在可分离的希尔伯特空间上进行最小二乘回归的随机投影。考虑两种类型的随机草图和nyStr \“ {o} m子采样产生的随机投影，我们在适当的停止规则下证明了有关算法的规范变体的最佳统计结果。尤其是我们的结果表明，如果投影维度显示了投影维度与问题的有效维度成正比，带有随机草图的KCGM可以最佳地概括，同时获得计算优势。作为推论，我们在良好条件方面的经典KCGM得出了最佳的经典KCGM，因为目标函数可能不会不会在假设空间中。

算法高斯化是一种现象，当使用随机素描或采样方法生成较小的大数据集的较小表示时，可能会出现的现象：对于某些任务，已经观察到这些草图表示表现出许多可靠的性能特征，这些性能是在数据样本中出现的，这些性能来自次高斯随机设计，是一个强大的数据分布统计模型。但是，这种现象仅研究了特定的任务和指标，或依靠计算昂贵的方法。我们通过为平均值提供用于高斯数据分布的算法框架来解决这一问题，并证明可以有效构建几乎无法区分的数据草图（与亚高斯随机设计有关的总变化距离）。特别是，依靠最近引入的素描技术称为杠杆得分稀疏（少）嵌入，我们表明一个人可以构造$ n \ times d $矩阵$ a $的$ n \ times d $ sketch of $ n \ times d $ n \ ll n $，几乎与次高斯设计几乎没有区别$ a $中的非零条目的数量。结果，可以直接适用于我们的草图框架，可直接适用于我们的草图框架。我们通过对草图最小二乘正方形的新近似保证进行了说明。

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。

我们在高尺寸和非渐近环境下研究了双组分各向异性高斯混合模型下的监督聚类问题。我们首先导出较低和匹配的上限，以获得本框架中的群集风险。我们还表明，在高维制度中，线性判别分析（LDA）分类器在最低限度的识别中出现在次优。接下来，我们精确地表征了$ \ ell_2 $ -regulared监督最小二乘分类器的风险。我们推断了内插解决方案可能在噪声的协方差结构上的温和假设下优于正则化分类器。我们的分析还表明，当信号与协方差的“清洁”部分对齐时，插值可能是对噪声的协方差的损坏，以适当地定义对准的正确概念。据我们所知，这种特殊的现象尚未在与插值相关的迅速增长的文学中进行调查。我们得出结论，插值不仅是良性的，而且也可以是最佳的，并且在某些情况下是强大的。