由于其宽度趋于无穷大，如果梯度下降下的深度神经网络的行为可以简化和可预测（例如，如果神经切线核（NTK）给出，则如果适当地进行了参数化（例如，NTK参数化）。但是，我们表明，神经网络的标准和NTK参数化不接受可以学习特征的无限宽度限制，这对于训练和转移学习至关重要。我们对标准参数化提出了简单的修改，以允许在极限内进行特征学习。使用 * Tensor程序 *技术，我们为此类限制提供了明确的公式。在Word2Vec和Omniglot上通过MAML进行的几杆学习，这是两个依赖特征学习的规范任务，我们准确地计算了这些限制。我们发现它们的表现都优于NTK基准和有限宽度网络，后者接近无限宽度的特征学习表现，随着宽度的增加。更普遍地，我们对神经网络参数化的自然空间进行分类，该空间概括了标准，NTK和平均场参数化。我们显示1）该空间中的任何参数化都可以接受特征学习或具有内核梯度下降给出的无限宽度训练动力学，但并非两者兼而有之； 2）可以使用Tensor程序技术计算任何此类无限宽度限制。可以在github.com/edwardjhu/tp4上找到我们的实验代码。

为了理论上了解训练有素的深神经网络的行为，有必要研究来自随机初始化的梯度方法引起的动态。然而，这些模型的非线性和组成结构使得这些动态难以分析。为了克服这些挑战，最近出现了大宽度的渐近学作为富有成效的观点，并导致了对真实世界的深网络的实用洞察。对于双层神经网络，已经通过这些渐近学理解，训练模型的性质根据初始随机权重的规模而变化，从内核制度（大初始方差）到特征学习制度（对于小初始方差）。对于更深的网络，更多的制度是可能的，并且在本文中，我们详细研究了与神经网络的“卑鄙字段”限制相对应的“小”初始化的特定选择，我们称之为可分配的参数化（IP）。首先，我们展示了标准I.I.D.零平均初始化，具有多于四个层的神经网络的可集参数，从无限宽度限制的静止点开始，并且不会发生学习。然后，我们提出了各种方法来避免这种琐碎的行为并详细分析所得到的动态。特别是，这些方法中的一种包括使用大的初始学习速率，并且我们表明它相当于最近提出的最大更新参数化$ \ mu $ p的修改。我们将结果与图像分类任务的数值实验确认，其另外显示出在尚未捕获的激活功能的各种选择之间的行为中的强烈差异。

我们分析了通过梯度流通过自洽动力场理论训练的无限宽度神经网络中的特征学习。我们构建了确定性动力学阶参数的集合，该参数是内部产物内核，用于在成对的时间点中，每一层中隐藏的单位激活和梯度，从而减少了通过训练对网络活动的描述。这些内核顺序参数共同定义了隐藏层激活分布，神经切线核的演变以及因此输出预测。我们表明，现场理论推导恢复了从Yang和Hu（2021）获得张量程序的无限宽度特征学习网络的递归随机过程。对于深线性网络，这些内核满足一组代数矩阵方程。对于非线性网络，我们提供了一个交替的采样过程，以求助于内核顺序参数。我们提供了与各种近似方案的自洽解决方案的比较描述。最后，我们提供了更现实的设置中的实验，这些实验表明，在CIFAR分类任务上，在不同宽度上保留了CNN的CNN的损耗和内核动力学。

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.

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。

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.

一项开创性的工作[Jacot等，2018]表明，在特定参数化下训练神经网络等同于执行特定的内核方法，因为宽度延伸到无穷大。这种等效性为将有关内核方法的丰富文献结果应用于神经网的结果开辟了一个有希望的方向，而神经网络很难解决。本调查涵盖了内核融合的关键结果，因为宽度进入无穷大，有限宽度校正，应用以及对相应方法的局限性的讨论。

A longstanding goal in deep learning research has been to precisely characterize training and generalization. However, the often complex loss landscapes of neural networks have made a theory of learning dynamics elusive. In this work, we show that for wide neural networks the learning dynamics simplify considerably and that, in the infinite width limit, they are governed by a linear model obtained from the first-order Taylor expansion of the network around its initial parameters. Furthermore, mirroring the correspondence between wide Bayesian neural networks and Gaussian processes, gradient-based training of wide neural networks with a squared loss produces test set predictions drawn from a Gaussian process with a particular compositional kernel. While these theoretical results are only exact in the infinite width limit, we nevertheless find excellent empirical agreement between the predictions of the original network and those of the linearized version even for finite practically-sized networks. This agreement is robust across different architectures, optimization methods, and loss functions.

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。

尽管使用对抗性训练捍卫深度学习模型免受对抗性扰动的经验成功，但到目前为止，仍然不清楚对抗性扰动的存在背后的原则是什么，而对抗性培训对神经网络进行了什么来消除它们。在本文中，我们提出了一个称为特征纯化的原则，在其中，我们表明存在对抗性示例的原因之一是在神经网络的训练过程中，在隐藏的重量中积累了某些小型密集混合物；更重要的是，对抗训练的目标之一是去除此类混合物以净化隐藏的重量。我们介绍了CIFAR-10数据集上的两个实验，以说明这一原理，并且一个理论上的结果证明，对于某些自然分类任务，使用随机初始初始化的梯度下降训练具有RELU激活的两层神经网络确实满足了这一原理。从技术上讲，我们给出了我们最大程度的了解，第一个结果证明，以下两个可以同时保持使用RELU激活的神经网络。 （1）对原始数据的训练确实对某些半径的小对抗扰动确实不舒适。 （2）即使使用经验性扰动算法（例如FGM），实际上也可以证明对对抗相同半径的任何扰动也可以证明具有强大的良好性。最后，我们还证明了复杂性的下限，表明该网络的低复杂性模型，例如线性分类器，低度多项式或什至是神经切线核，无论使用哪种算法，都无法防御相同半径的扰动训练他们。

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。

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。

我们证明了由例如He等人提出的广泛使用的方法。（2015年）并使用梯度下降对最小二乘损失进行训练并不普遍。具体而言，我们描述了一大批一维数据生成分布，较高的概率下降只会发现优化景观的局部最小值不好，因为它无法将其偏离偏差远离其初始化，以零移动。。事实证明，在这些情况下，即使目标函数是非线性的，发现的网络也基本执行线性回归。我们进一步提供了数值证据，表明在实际情况下，对于某些多维分布而发生这种情况，并且随机梯度下降表现出相似的行为。我们还提供了有关初始化和优化器的选择如何影响这种行为的经验结果。

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。

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。

当我们扩大数据集，模型尺寸和培训时间时，深入学习方法的能力中存在越来越多的经验证据。尽管有一些关于这些资源如何调节统计能力的说法，但对它们对模型培训的计算问题的影响知之甚少。这项工作通过学习$ k $ -sparse $ n $ bits的镜头进行了探索，这是一个构成理论计算障碍的规范性问题。在这种情况下，我们发现神经网络在扩大数据集大小和运行时间时会表现出令人惊讶的相变。特别是，我们从经验上证明，通过标准培训，各种体系结构以$ n^{o（k）} $示例学习稀疏的平等，而损失（和错误）曲线在$ n^{o（k）}后突然下降。 $迭代。这些积极的结果几乎匹配已知的SQ下限，即使没有明确的稀疏性先验。我们通过理论分析阐明了这些现象的机制：我们发现性能的相变不到SGD“在黑暗中绊倒”，直到它找到了隐藏的特征集（自然算法也以$ n^中的方式运行{o（k）} $ time）;取而代之的是，我们表明SGD逐渐扩大了人口梯度的傅立叶差距。

These notes were compiled as lecture notes for a course developed and taught at the University of the Southern California. They should be accessible to a typical engineering graduate student with a strong background in Applied Mathematics. The main objective of these notes is to introduce a student who is familiar with concepts in linear algebra and partial differential equations to select topics in deep learning. These lecture notes exploit the strong connections between deep learning algorithms and the more conventional techniques of computational physics to achieve two goals. First, they use concepts from computational physics to develop an understanding of deep learning algorithms. Not surprisingly, many concepts in deep learning can be connected to similar concepts in computational physics, and one can utilize this connection to better understand these algorithms. Second, several novel deep learning algorithms can be used to solve challenging problems in computational physics. Thus, they offer someone who is interested in modeling a physical phenomena with a complementary set of tools.

量子哈密顿学习和量子吉布斯采样的双重任务与物理和化学中的许多重要问题有关。在低温方案中，这些任务的算法通常会遭受施状能力，例如因样本或时间复杂性差而遭受。为了解决此类韧性，我们将量子自然梯度下降的概括引入了参数化的混合状态，并提供了稳健的一阶近似算法，即量子 - 固定镜下降。我们使用信息几何学和量子计量学的工具证明了双重任务的数据样本效率，因此首次将经典Fisher效率的开创性结果推广到变异量子算法。我们的方法扩展了以前样品有效的技术，以允许模型选择的灵活性，包括基于量子汉密尔顿的量子模型，包括基于量子的模型，这些模型可能会规避棘手的时间复杂性。我们的一阶算法是使用经典镜下降二元性的新型量子概括得出的。两种结果都需要特殊的度量选择，即Bogoliubov-Kubo-Mori度量。为了从数值上测试我们提出的算法，我们将它们的性能与现有基准进行了关于横向场ISING模型的量子Gibbs采样任务的现有基准。最后，我们提出了一种初始化策略，利用几何局部性来建模状态的序列（例如量子 - 故事过程）的序列。我们从经验上证明了它在实际和想象的时间演化的经验上，同时定义了更广泛的潜在应用。

我们为生成对抗网络（GAN）提出了一个新颖的理论框架。我们揭示了先前分析的基本缺陷，通过错误地对GANS的训练计划进行了错误的建模，该缺陷受到定义不定的鉴别梯度的约束。我们克服了这个问题，该问题阻碍了对GAN培训的原则研究，并考虑了歧视者的体系结构在我们的框架内解决它。为此，我们通过其神经切线核为歧视者提供了无限宽度神经网络的理论。我们表征了训练有素的判别器，以实现广泛的损失，并建立网络的一般可怜性属性。由此，我们获得了有关生成分布的融合的新见解，从而促进了我们对GANS训练动态的理解。我们通过基于我们的框架的分析工具包来证实这些结果，并揭示了与GAN实践一致的直觉。