We study expressive power of shallow and deep neural networks with piece-wise linear activation functions. We establish new rigorous upper and lower bounds for the network complexity in the setting of approximations in Sobolev spaces. In particular, we prove that deep ReLU networks more efficiently approximate smooth functions than shallow networks. In the case of approximations of 1D Lipschitz functions we describe adaptive depth-6 network architectures more efficient than the standard shallow architecture.

直到最近，神经网络在机器学习中的应用几乎完全依赖于实际网络。然而，它最近观察到，该复合值的神经网络（CVNNS）在应用中表现出卓越的性能，其中输入自然复合值，例如MRI指纹识别。虽然现实价值网络的数学理论已经达到了一定程度的成熟度，但这远远不适用于复合网络。在本文中，我们通过提供近似美元的Compact Qualets上的Compact Value的神经网络上的Compact-valued神经网络，通过提供明确的定量误差界来分析复合网络的表达性。激活函数，由$ \ sigma（z）= \ mathrm {creu}（| z | - 1）\，\ mathrm {sgn}（z）$，它是实际使用的最受欢迎的复杂激活功能之一。我们表明，衍生的近似值率在Modroleu网络类中的最佳（最多为日志因子），其具有适度增长的重量。

我们研究了深层神经网络的表达能力，以在扩张的转移不变空间中近似功能，这些空间被广泛用于信号处理，图像处理，通信等。相对于神经网络的宽度和深度估算了近似误差界限。网络构建基于深神经网络的位提取和数据拟合能力。作为我们主要结果的应用，获得了经典函数空间（例如Sobolev空间和BESOV空间）的近似速率。我们还给出了$ l^p（1 \ le p \ le \ infty）$近似误差的下限，这表明我们的神经网络的构建是渐近的最佳选择，即最大程度地达到对数因素。

我们研究神经网络表达能力的基本限制。给定两组$ f $，$ g $的实值函数，我们首先证明了$ f $中的功能的一般下限，可以在$ l^p（\ mu）$ norm中通过$ g中的功能近似$，对于任何$ p \ geq 1 $和任何概率度量$ \ mu $。下限取决于$ f $的包装数，$ f $的范围以及$ g $的脂肪震动尺寸。然后，我们实例化了$ g $对应于分段的馈电神经网络的情况，并详细描述了两组$ f $：h {\“ o} lder balls和多变量单调函数。除了匹配（已知或新的）上限与日志因素外，我们的下限还阐明了$ l^p $ Norm或SUP Norm中近似之间的相似性或差异，解决了Devore等人的开放问题（2021年））。我们的证明策略与SUP Norm案例不同，并使用了Mendelson（2002）的关键概率结果。

这项调查的目的是介绍对深神经网络的近似特性的解释性回顾。具体而言，我们旨在了解深神经网络如何以及为什么要优于其他经典线性和非线性近似方法。这项调查包括三章。在第1章中，我们回顾了深层网络及其组成非线性结构的关键思想和概念。我们通过在解决回归和分类问题时将其作为优化问题来形式化神经网络问题。我们简要讨论用于解决优化问题的随机梯度下降算法以及用于解决优化问题的后传播公式，并解决了与神经网络性能相关的一些问题，包括选择激活功能，成本功能，过度适应问题和正则化。在第2章中，我们将重点转移到神经网络的近似理论上。我们首先介绍多项式近似中的密度概念，尤其是研究实现连续函数的Stone-WeierStrass定理。然后，在线性近似的框架内，我们回顾了馈电网络的密度和收敛速率的一些经典结果，然后在近似Sobolev函数中进行有关深网络复杂性的最新发展。在第3章中，利用非线性近似理论，我们进一步详细介绍了深度和近似网络与其他经典非线性近似方法相比的近似优势。

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.

This paper investigates the stability of deep ReLU neural networks for nonparametric regression under the assumption that the noise has only a finite p-th moment. We unveil how the optimal rate of convergence depends on p, the degree of smoothness and the intrinsic dimension in a class of nonparametric regression functions with hierarchical composition structure when both the adaptive Huber loss and deep ReLU neural networks are used. This optimal rate of convergence cannot be obtained by the ordinary least squares but can be achieved by the Huber loss with a properly chosen parameter that adapts to the sample size, smoothness, and moment parameters. A concentration inequality for the adaptive Huber ReLU neural network estimators with allowable optimization errors is also derived. To establish a matching lower bound within the class of neural network estimators using the Huber loss, we employ a different strategy from the traditional route: constructing a deep ReLU network estimator that has a better empirical loss than the true function and the difference between these two functions furnishes a low bound. This step is related to the Huberization bias, yet more critically to the approximability of deep ReLU networks. As a result, we also contribute some new results on the approximation theory of deep ReLU neural networks.

单调功能和数据集在各种应用中都会出现。我们研究单调数据集的插值问题：输入是带有$ n $点的单调数据集，目标是找到一个大小和深度有效的单调神经网络，具有非负参数和阈值单元，可以插入数据放。我们表明，单调数据集无法通过深度$ 2 $的单调网络插值。另一方面，我们证明，对于每个单调数据集，在$ \ mathbb {r}^d $中$ n $点，存在一个插值的单调网络，该网络的深度为$ 4 $ $ 4 $和size $ o（nd）$。我们的插值结果意味着，每个单调功能超过$ [0,1]^d $可以通过DEPTH-4单调网络任意地近似，从而改善了先前最著名的深度构建$ d+1 $。最后，基于布尔电路复杂性的结果，我们表明，当近似单调函数时，具有正参数的电感偏差会导致神经元数量的超顺式爆炸。

众所周知，现代神经网络容易受到对抗例子的影响。为了减轻这个问题，已经提出了一系列强大的学习算法。但是，尽管通过某些方法可以通过某些方法接近稳定的训练误差，但所有现有的算法都会导致较高的鲁棒概括误差。在本文中，我们从深层神经网络的表达能力的角度提供了对这种令人困惑的现象的理论理解。具体而言，对于二进制分类数据，我们表明，对于Relu网络，虽然轻度的过度参数足以满足较高的鲁棒训练精度，但存在持续的稳健概括差距，除非神经网络的大小是指数的，却是指数的。数据维度$ d $。即使数据是线性可分离的，这意味着要实现低清洁概括错误很容易，我们仍然可以证明$ \ exp（{\ omega}（d））$下限可用于鲁棒概括。通常，只要它们的VC维度最多是参数数量，我们的指数下限也适用于各种神经网络家族和其他功能类别。此外，我们为网络大小建立了$ \ exp（{\ mathcal {o}}（k））$的改进的上限，当数据放在具有内在尺寸$ k $的歧管上时，以实现低鲁棒的概括错误（$） k \ ll d $）。尽管如此，我们也有一个下限，相对于$ k $成倍增长 - 维度的诅咒是不可避免的。通过证明网络大小之间的指数分离以实现较低的鲁棒训练和泛化错误，我们的结果表明，鲁棒概括的硬度可能源于实用模型的表现力。

本文通过引入几何深度学习（GDL）框架来构建通用馈电型型模型与可区分的流形几何形状兼容的通用馈电型模型，从而解决了对非欧国人数据进行处理的需求。我们表明，我们的GDL模型可以在受控最大直径的紧凑型组上均匀地近似任何连续目标函数。我们在近似GDL模型的深度上获得了最大直径和上限的曲率依赖性下限。相反，我们发现任何两个非分类紧凑型歧管之间始终都有连续的函数，任何“局部定义”的GDL模型都不能均匀地近似。我们的最后一个主要结果确定了数据依赖性条件，确保实施我们近似的GDL模型破坏了“维度的诅咒”。我们发现，任何“现实世界”（即有限）数据集始终满足我们的状况，相反，如果目标函数平滑，则任何数据集都满足我们的要求。作为应用，我们确认了以下GDL模型的通用近似功能：Ganea等。 （2018）的双波利馈电网络，实施Krishnan等人的体系结构。 （2015年）的深卡尔曼 - 滤波器和深度玛克斯分类器。我们构建了：Meyer等人的SPD-Matrix回归剂的通用扩展/变体。 （2011）和Fletcher（2003）的Procrustean回归剂。在欧几里得的环境中，我们的结果暗示了Kidger和Lyons（2020）的近似定理和Yarotsky和Zhevnerchuk（2019）无估计近似率的数据依赖性版本的定量版本。

This paper investigates the approximation properties of deep neural networks with piecewise-polynomial activation functions. We derive the required depth, width, and sparsity of a deep neural network to approximate any H\"{o}lder smooth function up to a given approximation error in H\"{o}lder norms in such a way that all weights of this neural network are bounded by $1$. The latter feature is essential to control generalization errors in many statistical and machine learning applications.

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。

我们为特殊神经网络架构，称为运营商复发性神经网络的理论分析，用于近似非线性函数，其输入是线性运算符。这些功能通常在解决方案算法中出现用于逆边值问题的问题。传统的神经网络将输入数据视为向量，因此它们没有有效地捕获与对应于这种逆问题中的数据的线性运算符相关联的乘法结构。因此，我们介绍一个类似标准的神经网络架构的新系列，但是输入数据在向量上乘法作用。由较小的算子出现在边界控制中的紧凑型操作员和波动方程的反边值问题分析，我们在网络中的选择权重矩阵中促进结构和稀疏性。在描述此架构后，我们研究其表示属性以及其近似属性。我们还表明，可以引入明确的正则化，其可以从所述逆问题的数学分析导出，并导致概括属性上的某些保证。我们观察到重量矩阵的稀疏性改善了概括估计。最后，我们讨论如何将运营商复发网络视为深度学习模拟，以确定诸如用于从边界测量的声波方程中重建所未知的WAVESTED的边界控制的算法算法。

在这项工作中，我们探讨了H +“旧常规功能的深度整流二次单位神经网络的近似能力，相对于统一标准。我们发现理论近似大量取决于神经网络中的所选激活函数。

我们因与Relu神经网络的参数双曲标量保护定律的近似值所产生的误差得出了严格的界限。我们表明，通过克服维度诅咒的relu神经网络，可以使近似误差尽可能小。此外，我们在训练误差，训练样本数量和神经网络大小方面提供了明确的上限。理论结果通过数值实验说明。

我们在决策边界是一定规律的假设下，研究从无噪声训练样本的学习分类功能的问题。我们为这一估计问题建立了普遍的下限，对于连续决策边界的一般阶级。对于本地禁区的类别，我们发现最佳估计率基本上独立于底层维度，并且可以通过在适当类的深神经网络上通过经验风险最小化方法实现。这些结果基于$ l ^ 1 $和$ l ^ \ infty $ intty $ inthty $ off的禁区常规职能的新颖估计数。

We study the expressibility and learnability of convex optimization solution functions and their multi-layer architectural extension. The main results are: \emph{(1)} the class of solution functions of linear programming (LP) and quadratic programming (QP) is a universal approximant for the $C^k$ smooth model class or some restricted Sobolev space, and we characterize the rate-distortion, \emph{(2)} the approximation power is investigated through a viewpoint of regression error, where information about the target function is provided in terms of data observations, \emph{(3)} compositionality in the form of a deep architecture with optimization as a layer is shown to reconstruct some basic functions used in numerical analysis without error, which implies that \emph{(4)} a substantial reduction in rate-distortion can be achieved with a universal network architecture, and \emph{(5)} we discuss the statistical bounds of empirical covering numbers for LP/QP, as well as a generic optimization problem (possibly nonconvex) by exploiting tame geometry. Our results provide the \emph{first rigorous analysis of the approximation and learning-theoretic properties of solution functions} with implications for algorithmic design and performance guarantees.

本文研究了粗略量化的神经网络的近似能力 - 那些参数选自一小组允许值的那些。我们表明，任何平滑的多变量功能都可以通过适当的粗略量化的神经网络任意地近似地近似，并提供定量近似速率。对于二次激活，可以仅使用一位字母表进行;对于Relu激活，我们使用三位字母。主要定理依赖于伯恩斯坦多项式的重要属性。我们证明了伯尔斯坦多项式，伯恩斯坦对伯恩斯坦的噪声整形量化的近似的新结果，并通过粗略量化的神经网络实现伯恩斯坦多项式。

众所周知，$ O（n）$参数足以让神经网络记住任意$ N $ INPUT-LABE标签对。通过利用深度，我们显示$ O（n ^ {2/3}）$参数足以在输入点的分离的温和条件下记住$ n $对。特别是，更深的网络（即使是宽度为3美元），也会显示比浅网络更有成对，这也同意最近的作品对函数近似的深度的好处。我们还提供支持我们理论发现的经验结果。

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。