通过建立神经网络和内核方法之间的联系，无限宽度极限阐明了深度学习的概括和优化方面。尽管它们的重要性，但这些内核方法的实用性在大规模学习设置中受到限制，因为它们（超）二次运行时和内存复杂性。此外，大多数先前关于神经内核的作品都集中在relu激活上，这主要是由于其受欢迎程度，但这也是由于很难计算此类内核来进行一般激活。在这项工作中，我们通过提供进行一般激活的方法来克服此类困难。首先，我们编译和扩展激活功能的列表，该函数允许精确的双重激活表达式计算神经内核。当确切的计算未知时，我们提出有效近似它们的方法。我们提出了一种快速的素描方法，该方法近似于任何多种多层神经网络高斯过程（NNGP）内核和神经切线核（NTK）矩阵，以实现广泛的激活功能，这超出了常见的经过分析的RELU激活。这是通过显示如何使用任何所需激活函​​数的截短的Hermite膨胀来近似神经内核来完成的。虽然大多数先前的工作都需要单位球体上的数据点，但我们的方法不受此类限制的影响，并且适用于$ \ Mathbb {r}^d $中的任何点数据集。此外，我们为NNGP和NTK矩阵提供了一个子空间嵌入，具有接近输入的距离运行时和接近最佳的目标尺寸，该目标尺寸适用于任何\ EMPH {均质}双重激活功能，具有快速收敛的Taylor膨胀。从经验上讲，关于精确的卷积NTK（CNTK）计算，我们的方法可实现$ 106 \ times $速度，用于在CIFAR-10数据集上的5层默特网络的近似CNTK。

神经切线内核（NTK）表征无限宽的神经网络的行为通过梯度下降训练在最小方形损失下训练。最近的作品还报告说，NTK回归可以优于在小型数据集上培训的有限范围的神经网络。然而，内核方法的计算复杂性限制了在大规模学习任务中的使用。为了加速NTK学习，我们设计了NTK的近输入 - 稀疏时间近似算法，通过绘制arc-anine内核的多项式扩展：我们的NTK卷积对应物的草图（CNTK）可以使用线性运行时转换任何图像像素数。此外，通过将随机特征（基于杠杆分数采样）与草图算法组合，我们证明了NTK矩阵的光谱近似保证。我们在各种大规模回归和分类任务上基准于我们的方法，并显示在我们的CNTK特征上培训的线性回归线符合CIFAR-10数据集上精确CNTK的准确性，同时实现了150倍的加速。

How well does a classic deep net architecture like AlexNet or VGG19 classify on a standard dataset such as CIFAR-10 when its "width"-namely, number of channels in convolutional layers, and number of nodes in fully-connected internal layers -is allowed to increase to infinity? Such questions have come to the forefront in the quest to theoretically understand deep learning and its mysteries about optimization and generalization. They also connect deep learning to notions such as Gaussian processes and kernels. A recent paper [Jacot et al., 2018] introduced the Neural Tangent Kernel (NTK) which captures the behavior of fully-connected deep nets in the infinite width limit trained by gradient descent; this object was implicit in some other recent papers. An attraction of such ideas is that a pure kernel-based method is used to capture the power of a fully-trained deep net of infinite width. The current paper gives the first efficient exact algorithm for computing the extension of NTK to convolutional neural nets, which we call Convolutional NTK (CNTK), as well as an efficient GPU implementation of this algorithm. This results in a significant new benchmark for performance of a pure kernel-based method on CIFAR-10, being 10% higher than the methods reported in [Novak et al., 2019], and only 6% lower than the performance of the corresponding finite deep net architecture (once batch normalization etc. are turned off). Theoretically, we also give the first non-asymptotic proof showing that a fully-trained sufficiently wide net is indeed equivalent to the kernel regression predictor using NTK.

我们提出了一种输入稀疏时间抽样算法，该算法可以近似于$ q $ - 折叠的列量张量产品$ q $矩阵的量子矩阵，使用几乎最佳的样品，从（q）$因素。此外，对于数据集的$ q $倍自量量的重要特殊情况，这是学位的功能矩阵-y $ q $ polyenmial kernel，我们方法运行时的领先术语与该方法的大小成正比输入数据集，并且不依赖$ Q $。以前的技术要么在其运行时产生Poly $（Q）$的放缓，要么以$ Q $的依赖性为代价，但要以次优目标维度为代价，并在其运行时四处依赖于数据点的数量。我们的抽样技术依赖于$ q $部分相关的随机预测的集合，这些预测可以同时应用于数据集$ x $的总时间，这仅取决于$ x $的大小，同时又有其$ q $ - fold kronecker产品在$ x^{\ otimes q} $的列跨度中的任何固定向量的近乎等值线。我们还表明，我们的采样方法概括为多项式以外的其他类别的内核，例如高斯和神经切线核。

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.

我们在高斯分布下使用Massart噪声与Massart噪声进行PAC学习半个空间的问题。在Massart模型中，允许对手将每个点$ \ mathbf {x} $的标签与未知概率$ \ eta（\ mathbf {x}）\ leq \ eta $，用于某些参数$ \ eta \ [0,1 / 2] $。目标是找到一个假设$ \ mathrm {opt} + \ epsilon $的错误分类错误，其中$ \ mathrm {opt} $是目标半空间的错误。此前已经在两个假设下研究了这个问题：（i）目标半空间是同质的（即，分离超平面通过原点），并且（ii）参数$ \ eta $严格小于$ 1/2 $。在此工作之前，当除去这些假设中的任何一个时，不知道非增长的界限。我们研究了一般问题并建立以下内容：对于$ \ eta <1/2 $，我们为一般半个空间提供了一个学习算法，采用样本和计算复杂度$ d ^ {o_ {\ eta}（\ log（1 / \ gamma） ）））}} \ mathrm {poly}（1 / \ epsilon）$，其中$ \ gamma = \ max \ {\ epsilon，\ min \ {\ mathbf {pr} [f（\ mathbf {x}）= 1]， \ mathbf {pr} [f（\ mathbf {x}）= -1] \} \} $是目标半空间$ f $的偏差。现有的高效算法只能处理$ \ gamma = 1/2 $的特殊情况。有趣的是，我们建立了$ d ^ {\ oomega（\ log（\ log（\ log（\ log））}}的质量匹配的下限，而是任何统计查询（SQ）算法的复杂性。对于$ \ eta = 1/2 $，我们为一般半空间提供了一个学习算法，具有样本和计算复杂度$ o_ \ epsilon（1）d ^ {o（\ log（1 / epsilon））} $。即使对于均匀半空间的子类，这个结果也是新的;均匀Massart半个空间的现有算法为$ \ eta = 1/2 $提供可持续的保证。我们与D ^ {\ omega（\ log（\ log（\ log（\ log（\ epsilon））} $的近似匹配的sq下限补充了我们的上限，这甚至可以为同类半空间的特殊情况而保持。

Autoencoders are a popular model in many branches of machine learning and lossy data compression. However, their fundamental limits, the performance of gradient methods and the features learnt during optimization remain poorly understood, even in the two-layer setting. In fact, earlier work has considered either linear autoencoders or specific training regimes (leading to vanishing or diverging compression rates). Our paper addresses this gap by focusing on non-linear two-layer autoencoders trained in the challenging proportional regime in which the input dimension scales linearly with the size of the representation. Our results characterize the minimizers of the population risk, and show that such minimizers are achieved by gradient methods; their structure is also unveiled, thus leading to a concise description of the features obtained via training. For the special case of a sign activation function, our analysis establishes the fundamental limits for the lossy compression of Gaussian sources via (shallow) autoencoders. Finally, while the results are proved for Gaussian data, numerical simulations on standard datasets display the universality of the theoretical predictions.

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。

我们研究了学习单个神经元的基本问题，即$ \ mathbf {x} \ mapsto \ sigma（\ mathbf {w} \ cdot \ cdot \ mathbf {x}）$单调激活$ \ sigma $ \ sigma： \ mathbb {r} \ mapsto \ mathbb {r} $，相对于$ l_2^2 $ -loss，在存在对抗标签噪声的情况下。具体来说，我们将在$（\ mathbf {x}，y）\ in \ mathbb {r}^d \ times \ times \ mathbb {r} $上给我们从$（\ mathbf {x}，y）\ on a发行$ d $中给我们标记的示例。 }^\ ast \ in \ mathbb {r}^d $ achieving $ f（\ mathbf {w}^\ ast）= \ epsilon $，其中$ f（\ mathbf {w}）= \ m马理bf {e} （\ mathbf {x}，y）\ sim d} [（\ sigma（\ mathbf {w} \ cdot \ mathbf {x}） - y）^2] $。学习者的目标是输出假设向量$ \ mathbf {w} $，以使$ f（\ m athbb {w}）= c \，\ epsilon $具有高概率，其中$ c> 1 $是通用常数。作为我们的主要贡献，我们为广泛的分布（包括对数 - 循环分布）和激活功能提供有效的恒定因素近似学习者。具体地说，对于各向同性对数凸出分布的类别，我们获得以下重要的推论：对于逻辑激活，我们获得了第一个多项式时间常数因子近似（即使在高斯分布下）。我们的算法具有样品复杂性$ \ widetilde {o}（d/\ epsilon）$，这在多毛体因子中很紧。对于relu激活，我们给出了一个有效的算法，带有样品复杂性$ \ tilde {o}（d \，\ polylog（1/\ epsilon））$。在我们工作之前，最著名的常数因子近似学习者具有样本复杂性$ \ tilde {\ omega}（d/\ epsilon）$。在这两个设置中，我们的算法很简单，在（正规）$ L_2^2 $ -LOSS上执行梯度散发。我们的算法的正确性取决于我们确定的新结构结果，表明（本质上是基本上）基础非凸损失的固定点大约是最佳的。

神经切线内核（NTK）是分析神经网络及其泛化界限的训练动力学的强大工具。关于NTK的研究已致力于典型的神经网络体系结构，但对于Hadamard产品（NNS-HP）的神经网络不完整，例如StyleGAN和多项式神经网络。在这项工作中，我们为特殊类别的NNS-HP（即多项式神经网络）得出了有限宽度的NTK公式。我们证明了它们与关联的NTK与内核回归预测变量的等效性，该预测扩大了NTK的应用范围。根据我们的结果，我们阐明了针对外推和光谱偏置，PNN在标准神经网络上的分离。我们的两个关键见解是，与标准神经网络相比，PNN能够在外推方案中拟合更复杂的功能，并承认相应NTK的特征值衰减较慢。此外，我们的理论结果可以扩展到其他类型的NNS-HP，从而扩大了我们工作的范围。我们的经验结果验证了更广泛的NNS-HP类别的分离，这为对神经体系结构有了更深入的理解提供了良好的理由。

在深度学习中的优化分析是连续的，专注于（变体）梯度流动，或离散，直接处理（变体）梯度下降。梯度流程可符合理论分析，但是风格化并忽略计算效率。它代表梯度下降的程度是深度学习理论的一个开放问题。目前的论文研究了这个问题。将梯度下降视为梯度流量初始值问题的近似数值问题，发现近似程度取决于梯度流动轨迹周围的曲率。然后，我们表明，在具有均匀激活的深度神经网络中，梯度流动轨迹享有有利的曲率，表明它们通过梯度下降近似地近似。该发现允许我们将深度线性神经网络的梯度流分析转换为保证梯度下降，其几乎肯定会在随机初始化下有效地收敛到全局最小值。实验表明，在简单的深度神经网络中，具有传统步长的梯度下降确实接近梯度流。我们假设梯度流动理论将解开深入学习背后的奥秘。

我们考虑培训多层过参数化神经网络的问题，以最大限度地减少损失函数引起的经验风险。在过度参数化的典型设置中，网络宽度$ M $远大于数据维度$ D $和培训数量$ N $（$ m = \ mathrm {poly}（n，d）$），其中诱导禁止的大量矩阵$ w \ in \ mathbb {r} ^ {m \ times m} $每层。天真地，一个人必须支付$ O（m ^ 2）$时间读取权重矩阵并评估前向和后向计算中的神经网络功能。在这项工作中，我们展示了如何降低每个迭代的培训成本，具体而言，我们提出了一个仅在初始化阶段使用M ^ 2美元的框架，并且在$ M $的情况下实现了每次迭代的真正子种化成本。 ，$ m ^ {2- \ oomga（1）} $次迭代。为了获得此结果，我们利用各种技术，包括偏移的基于Relu的稀释器，懒惰的低级维护数据结构，快速矩阵矩阵乘法，张量的草图技术和预处理。

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。

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。

Polynomial kernels are among the most popular kernels in machine learning, since their feature maps model the interactions between the dimensions of the input data. However, these features correspond to tensor products of the input with itself, which makes their dimension grow exponentially with the polynomial degree. We address this issue by proposing Complexto-Real (CtR) sketches for tensor products that can be used as random feature approximations of polynomial kernels. These sketches leverage intermediate complex random projections, leading to better theoretical guarantees and potentially much lower variances than analogs using real projections. Our sketches are simple to construct and their final output is real-valued, which makes their downstream use straightforward. Finally, we show that they achieve state-of-the-art performance in terms of accuracy and speed.

量化的神经网络吸引了很多关注，因为它们在推理过程中降低了空间和计算复杂性。此外，人们已经有民间传说是一种隐性的正规化程序，因此可以改善神经网络的普遍性，但是没有现有的工作正式使这种有趣的民间传说形式化。在本文中，我们将神经网络中的二元权重作为随机舍入的随机变量，并研究神经网络中不同层的分布传播。我们提出了一个准神经网络来近似分布传播，该分布传播是一个具有连续参数和平滑激活函数的神经网络。我们为该准神经网络得出神经切线核（NTK），并表明NTK的特征值大约以指数呈指数速率衰减，这与具有随机尺度的高斯内核相当。这反过来表明，与具有实际价值权重的二元重量神经网络的繁殖核Hilbert空间（RKHS）涵盖了严格的功能子集。我们使用实验来验证我们提出的准神经网络可以很好地近似二进制重量神经网络。此外，与实际值重量神经网络相比，二进制重量神经网络的概括差距较低，这与高斯内核和拉普拉斯内核之间的差异相似。

We present a new algorithm for automatically bounding the Taylor remainder series. In the special case of a scalar function $f: \mathbb{R} \mapsto \mathbb{R}$, our algorithm takes as input a reference point $x_0$, trust region $[a, b]$, and integer $k \ge 0$, and returns an interval $I$ such that $f(x) - \sum_{i=0}^k \frac {f^{(i)}(x_0)} {i!} (x - x_0)^i \in I (x - x_0)^{k+1}$ for all $x \in [a, b]$. As in automatic differentiation, the function $f$ is provided to the algorithm in symbolic form, and must be composed of known elementary functions. At a high level, our algorithm has two steps. First, for a variety of commonly-used elementary functions (e.g., $\exp$, $\log$), we derive sharp polynomial upper and lower bounds on the Taylor remainder series. We then recursively combine the bounds for the elementary functions using an interval arithmetic variant of Taylor-mode automatic differentiation. Our algorithm can make efficient use of machine learning hardware accelerators, and we provide an open source implementation in JAX. We then turn our attention to applications. Most notably, we use our new machinery to create the first universal majorization-minimization optimization algorithms: algorithms that iteratively minimize an arbitrary loss using a majorizer that is derived automatically, rather than by hand. Applied to machine learning, this leads to architecture-specific optimizers for training deep networks that converge from any starting point, without hyperparameter tuning. Our experiments show that for some optimization problems, these hyperparameter-free optimizers outperform tuned versions of gradient descent, Adam, and AdaGrad. We also show that our automatically-derived bounds can be used for verified global optimization and numerical integration, and to prove sharper versions of Jensen's inequality.

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。

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。