我们调查了Wigner半圈和Marcenko-Pastur分布，通常用于深度神经网络理论分析，匹配经验观察到的光谱密度。我们发现甚至允许异常值，观察到的光谱形状强烈地偏离了这种理论预测。这提出了关于这些模型在深度学习中的有用性的重要问题。我们进一步表明，理论结果，例如关键点的分层性质，强烈依赖于这些限制光谱密度的确切形式的使用。我们考虑两个新的矩阵集合;随机Wigner / Wishart集合产品和渗透的Wigner / Wishart集合，两者都更好地匹配观察光谱。它们还给出了原点的大型离散光谱峰，为观察提供了一种理论解释，即各种Optima可以通过一维的低损耗值连接。我们进一步表明，在随机矩阵产品的情况下，离散光谱分量的重量为0美元取决于权重矩阵的尺寸的比率。

我们研究了使用尖刺，现场依赖的随机矩阵理论研究迷你批次对深神经网络损失景观的影响。我们表明，批量黑森州的极值值的大小大于经验丰富的黑森州。我们还获得了类似的结果对Hessian的概括高斯牛顿矩阵近似。由于我们的定理，我们推导出作为批量大小的最大学习速率的分析表达式，为随机梯度下降（线性缩放）和自适应算法（例如ADAM（Square Root Scaling）提供了通知实际培训方案，例如光滑，非凸深神经网络。虽然随机梯度下降的线性缩放是在我们概括的更多限制性条件下导出的，但是适应优化者的平方根缩放规则是我们的知识，完全小说。随机二阶方法和自适应方法的百分比，我们得出了最小阻尼系数与学习率与批量尺寸的比率成比例。我们在Cifar-$ 100 $和ImageNet数据集上验证了我们的VGG / WimerEsnet架构上的索赔。根据我们对象检的调查，我们基于飞行学习率和动量学习者开发了一个随机兰齐齐竞争，这避免了对这些关键的超参数进行昂贵的多重评估的需求，并在预残留的情况下显示出良好的初步结果Cifar的architecure - $ 100 $。

我们调查人工神经网络的损失表面Hessians的局部光谱统计数据，在那里我们发现跨多个网络架构和数据集的高斯正交集合统计数据非常一致。这些结果阐述了随机矩阵理论对神经网络建模的适用性，并提出了在深度学习中损失表面研究中的先前未被识别的作用。通过这些观察的启发，我们提出了一种新颖的神经网络的真正损失表面模型，与我们的观察结果一致，这允许Hessian光谱密度在实践中广泛观察到具有秩的退化性和异常值，并预测损失梯度的独立性越来越长重量空间中距离的函数。我们进一步调查了神经网络中真正损失表面的重要性，并与以前的工作相比，找到了定位全球最小值的指数硬度对实现最新性能的实际后果。

本文考虑了深神经网络中随机矩阵普遍性的几个方面。在最近的实验工作中，我们使用与局部统计相关的随机矩阵的普遍特性，以基于其Hessians的现实模型来获得对深神经网络的实际含义。特别是，我们得出了深度神经网络光谱中异常值的普遍方面，并证明了随机矩阵局部定律在流行的预处理梯度下降算法中的重要作用。我们还通过基于统计物理学和随机矩阵理论的工具的一般参数，对深度神经网络损失表面的见解。

深度均衡网络（DEQ）是构建模型以进行计算的模型的一种有希望的方法。但是，与传统网络相比，对这些模型的理论理解仍然缺乏，部分原因是一组重量的重复应用。我们表明，DEQ对初始化的基质家族的高阶统计敏感。特别是，用正交或对称矩阵初始化可以在训练中提高稳定性。这为我们提供了初始化的实用处方，该处方允许以更广泛的初始重量量表进行训练。

我们使用高斯过程扰动模型在高维二次上的真实和批量风险表面之间的高斯过程扰动模型分析和解释迭代平均的泛化性能。我们从我们的理论结果中获得了三个现象\姓名：}（1）将迭代平均值（ia）与大型学习率和正则化进行了改进的正规化的重要性。 （2）对较少频繁平均的理由。 （3）我们预计自适应梯度方法同样地工作，或者更好，而不是其非自适应对应物的迭代平均值。灵感来自这些结果\姓据{，一起与}对迭代解决方案多样性的适当正则化的重要性，我们提出了两个具有迭代平均的自适应算法。与随机梯度下降（SGD）相比，这些结果具有明显更好的结果，需要较少调谐并且不需要早期停止或验证设定监视。我们在各种现代和古典网络架构上展示了我们对CiFar-10/100，Imagenet和Penn TreeBank数据集的方法的疗效。

我们认为越来越复杂的矩阵去噪和贝叶斯最佳设置中的文章学习模型，在挑战性的政权中，在矩阵推断出与系统尺寸线性的排名增加。这与大多数现有的文献相比，与低秩（即常数级别）制度相关的文献相反。我们首先考虑一类旋转不变的矩阵去噪，使用来自随机矩阵理论的标准技术来计算的互动信息和最小均方误差。接下来，我们分析了字典学习的更具挑战性模式。为此，我们将复制方法与随机矩阵理论一起介绍了复制品方法的新组合，共同矩阵理论，Coined光谱副本方法。它允许我们猜测隐藏表示与字典学习问题的嘈杂数据之间的相互信息的变分形式，以及定量最佳重建误差的重叠。所提出的方法从$ \ theta（n ^ 2）$（矩阵条目）到$ \ theta（n）$（特征值或奇异值）减少自由度的数量，并产生的互信息的库仑气体表示让人想起物理学中的矩阵模型。主要成分是使用Harishchandra-Itzykson-Zuber球形积分，结合新的复制对称解耦Ansatz，在特定重叠矩阵的特征值（或奇异值）的概率分布的水平上。

A central challenge to many fields of science and engineering involves minimizing non-convex error functions over continuous, high dimensional spaces. Gradient descent or quasi-Newton methods are almost ubiquitously used to perform such minimizations, and it is often thought that a main source of difficulty for these local methods to find the global minimum is the proliferation of local minima with much higher error than the global minimum. Here we argue, based on results from statistical physics, random matrix theory, neural network theory, and empirical evidence, that a deeper and more profound difficulty originates from the proliferation of saddle points, not local minima, especially in high dimensional problems of practical interest. Such saddle points are surrounded by high error plateaus that can dramatically slow down learning, and give the illusory impression of the existence of a local minimum. Motivated by these arguments, we propose a new approach to second-order optimization, the saddle-free Newton method, that can rapidly escape high dimensional saddle points, unlike gradient descent and quasi-Newton methods. We apply this algorithm to deep or recurrent neural network training, and provide numerical evidence for its superior optimization performance. This work extends the results of .

在这项工作中，我们探讨了随机梯度下降（SGD）训练的深神经网络的限制动态。如前所述，长时间的性能融合，网络继续通过参数空间通过一个异常扩散的过程，其中距离在具有非活动指数的梯度更新的数量中增加距离。我们揭示了优化的超公数，梯度噪声结构之间的复杂相互作用，以及在训练结束时解释这种异常扩散的Hessian矩阵。为了构建这种理解，我们首先为SGD推导出一个连续时间模型，具有有限的学习速率和批量尺寸，作为欠下的Langevin方程。我们在线性回归中研究了这个方程，我们可以为参数的相位空间动态和它们的瞬时速度来得出精确的分析表达式，从初始化到实用性。使用Fokker-Planck方程，我们表明驾驶这些动态的关键成分不是原始的训练损失，而是修改的损失的组合，其隐含地规则地规范速度和概率电流，这导致相位空间中的振荡。我们在ImageNet培训的Reset-18模型的动态中确定了这种理论的定性和定量预测。通过统计物理的镜头，我们揭示了SGD培训的深神经网络的异常限制动态的机制来源。

随机梯度下降（SGD）是现代机器学习的支柱，是各种问题的首选优化算法。尽管SGD的经验成功通常归因于其计算效率和有利的概括行为，但两者都没有充分理解和解散它们仍然是一个开放的问题。即使在简单的凸二次问题的设置中，最坏情况分析也给SGD的渐近收敛率提供了不比全批梯度下降（GD）更好的，而SGD的所谓隐式正则作用缺乏精确的解释。在这项工作中，我们研究了高维凸四边形上多通sgd的动力学，并建立了与随机微分方程的渐近等效性，我们称之为同质化的随机梯度下降（HSGD），我们的解决方案我们以我们的解决方案的方式明确表征Volterra积分方程。这些结果为学习和风险轨迹提供精确的公式，该公式揭示了隐性条件的机制，该机制解释了SGD相对于GD的效率。我们还证明，来自SGD的噪声会对泛化性能产生负面影响，排除在这种情况下任何类型的隐式正则化的可能性。最后，我们展示了如何适应HSGD形式主义以包括流媒体SGD，这使我们能够针对相对于流SGD（Bootstrap风险）的多通SGD的多余风险产生确切的预测。

张量模型在许多领域中起着越来越重要的作用，特别是在机器学习中。在几种应用中，例如社区检测，主题建模和高斯混合物学习，必须估算噪声张量的低级别信号。因此，了解该信号的估计器的基本限制不可避免地要求研究随机张量。最近，在大维限制中，该主题取得了实质性进展。然而，其中一些最重要的结果（尤其是对突然的相变（相对于信噪比）的精确表征），该表现控制着对称等级的最大可能性（ML）估计器的性能 - 具有高斯噪声的模型 - 基于平均场自旋玻璃理论得出，非专家不容易访问。在这项工作中，我们依靠标准但强大的工具开发出一种截然不同，更基本的方法，这是由随机矩阵理论的多年进步带来的。关键思想是研究由给定随机张量的收缩引起的随机矩阵的光谱。我们展示了如何访问随机张量本身的光谱属性。对于上述排名衡量模型，我们的技术产生了迄今未知的固定点方程，其解决方案与第三阶情况下的相变阈值高于相变阈值的ML估计器的渐近性能。数值验证提供了证据，表明订单4和5相同，导致我们猜想，对于任何顺序，我们的定点方程等于已知的ML估计性能的表征，这些表现通过依靠旋转玻璃而获得。此外，我们的方法阐明了ML问题景观的某些特性，可以扩展到其他模型，例如不对称和非高斯。

现代深度学习系统的区别特征之一是，它们通常采用利用巨大数量的参数，通常在数百万中使用的神经网络架构。虽然这个范例对大型网络的性质启发了重要研究，但是致力于这些网络通常用于建模大型复杂数据集的事实，而且它们本身可能包含数百万甚至数十亿的约束的事实。在这项工作中，我们专注于这种高维制度，其中数据集大小和特征数量往往是无限的。我们分析随机重量矩阵$ W $和随机偏置向量$ B $的随机特征回归的性能$ f = f（wx + b）$ b $，获取用于渐近培训的确切公式，并对数据产生的数据进行测试错误一个线性教师模型。偏差的作用可以理解为参数化在激活功能上的分布，并且我们的分析直接推广到这种分布，即使是传统的附加偏差不表达的那些分布。有趣的是，我们发现非线性的混合物可以通过最好的单一非线性来改善训练和测试误差，这表明非线性的混合物可能对近似内核方法或神经网络架构设计有用。

教师 - 学生模型提供了一个框架，其中可以以封闭形式描述高维监督学习的典型情况。高斯I.I.D的假设然而，可以认为典型教师 - 学生模型的输入数据可以被认为过于限制，以捕获现实数据集的行为。在本文中，我们介绍了教师和学生可以在不同的空格上行动的模型的高斯协变态概括，以固定的，而是通用的特征映射。虽然仍处于封闭形式的仍然可解决，但这种概括能够捕获广泛的现实数据集的学习曲线，从而兑现师生框架的潜力。我们的贡献是两倍：首先，我们证明了渐近培训损失和泛化误差的严格公式。其次，我们呈现了许多情况，其中模型的学习曲线捕获了使用内​​核回归和分类学习的现实数据集之一，其中盒出开箱特征映射，例如随机投影或散射变换，或者与散射变换预先学习的 - 例如通过培训多层神经网络学到的特征。我们讨论了框架的权力和局限性。

本文评价用机器学习问题的数值优化方法。由于机器学习模型是高度参数化的，我们专注于适合高维优化的方法。我们在二次模型上构建直觉，以确定哪种方法适用于非凸优化，并在凸函数上开发用于这种方法的凸起函数。随着随机梯度下降和动量方法的这种理论基础，我们试图解释为什么机器学习领域通常使用的方法非常成功。除了解释成功的启发式之外，最后一章还提供了对更多理论方法的广泛审查，这在实践中并不像惯例。所以在某些情况下，这项工作试图回答这个问题：为什么默认值中包含的默认TensorFlow优化器？

我们研究了与深神经网络分析有关的随机矩阵产物的奇异值的分布。然而，矩阵类似于样品协方差矩阵的乘积，一个重要的区别是，假定的种群协方差矩阵是非随机或随机的，但独立于统计和随机矩阵理论中的随机数据矩阵，现在是随机数据的某些功能矩阵（深神经网络术语中的突触重量矩阵）。该问题在最近的工作[25，13]中已通过使用自由概率理论的技术。但是，自由概率理论涉及独立于数据矩阵的人口协方差矩阵，因此必须证明其适用性。使用随机矩阵理论的技术版本，对于具有独立条目的高斯数据矩阵，具有独立条目的高斯数据矩阵（一种自由概率的标准分析模型）的理由。在本文中，我们使用另一种更简化的随机矩阵理论技术的版本将[22]的结果推广到突触重量矩阵的条目仅是独立分布的随机变量，均值和有限第四，片刻。特别是，这扩展了所谓的宏观普遍性在被考虑的随机矩阵上的特性。

Influence diagnostics such as influence functions and approximate maximum influence perturbations are popular in machine learning and in AI domain applications. Influence diagnostics are powerful statistical tools to identify influential datapoints or subsets of datapoints. We establish finite-sample statistical bounds, as well as computational complexity bounds, for influence functions and approximate maximum influence perturbations using efficient inverse-Hessian-vector product implementations. We illustrate our results with generalized linear models and large attention based models on synthetic and real data.

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。

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。

这项正在进行的工作旨在为统计学习提供统一的介绍，从诸如GMM和HMM等经典模型到现代神经网络（如VAE和扩散模型）缓慢地构建。如今，有许多互联网资源可以孤立地解释这一点或新的机器学习算法，但是它们并没有（也不能在如此简短的空间中）将这些算法彼此连接起来，或者与统计模型的经典文献相连现代算法出现了。同样明显缺乏的是一个单一的符号系统，尽管对那些已经熟悉材料的人（如这些帖子的作者）不满意，但对新手的入境造成了重大障碍。同样，我的目的是将各种模型（尽可能）吸收到一个用于推理和学习的框架上，表明（以及为什么）如何以最小的变化将一个模型更改为另一个模型（其中一些是新颖的，另一些是文献中的）。某些背景当然是必要的。我以为读者熟悉基本的多变量计算，概率和统计以及线性代数。这本书的目标当然不是​​完整性，而是从基本知识到过去十年中极强大的新模型的直线路径或多或少。然后，目标是补充而不是替换，诸如Bishop的\ emph {模式识别和机器学习}之类的综合文本，该文本现在已经15岁了。

We develop new theoretical results on matrix perturbation to shed light on the impact of architecture on the performance of a deep network. In particular, we explain analytically what deep learning practitioners have long observed empirically: the parameters of some deep architectures (e.g., residual networks, ResNets, and Dense networks, DenseNets) are easier to optimize than others (e.g., convolutional networks, ConvNets). Building on our earlier work connecting deep networks with continuous piecewise-affine splines, we develop an exact local linear representation of a deep network layer for a family of modern deep networks that includes ConvNets at one end of a spectrum and ResNets, DenseNets, and other networks with skip connections at the other. For regression and classification tasks that optimize the squared-error loss, we show that the optimization loss surface of a modern deep network is piecewise quadratic in the parameters, with local shape governed by the singular values of a matrix that is a function of the local linear representation. We develop new perturbation results for how the singular values of matrices of this sort behave as we add a fraction of the identity and multiply by certain diagonal matrices. A direct application of our perturbation results explains analytically why a network with skip connections (such as a ResNet or DenseNet) is easier to optimize than a ConvNet: thanks to its more stable singular values and smaller condition number, the local loss surface of such a network is less erratic, less eccentric, and features local minima that are more accommodating to gradient-based optimization. Our results also shed new light on the impact of different nonlinear activation functions on a deep network's singular values, regardless of its architecture.