Artificial neural networks are functions depending on a finite number of parameters typically encoded as weights and biases. The identification of the parameters of the network from finite samples of input-output pairs is often referred to as the \emph{teacher-student model}, and this model has represented a popular framework for understanding training and generalization. Even if the problem is NP-complete in the worst case, a rapidly growing literature -- after adding suitable distributional assumptions -- has established finite sample identification of two-layer networks with a number of neurons $m=\mathcal O(D)$, $D$ being the input dimension. For the range $D<m<D^2$ the problem becomes harder, and truly little is known for networks parametrized by biases as well. This paper fills the gap by providing constructive methods and theoretical guarantees of finite sample identification for such wider shallow networks with biases. Our approach is based on a two-step pipeline: first, we recover the direction of the weights, by exploiting second order information; next, we identify the signs by suitable algebraic evaluations, and we recover the biases by empirical risk minimization via gradient descent. Numerical results demonstrate the effectiveness of our approach.

在本文中，我们研究了学习最适合培训数据集的浅层人工神经网络的问题。我们在过度参数化的制度中研究了这个问题，在该制度中，观测值的数量少于模型中的参数数量。我们表明，通过二次激活，训练的优化景观这种浅神经网络具有某些有利的特征，可以使用各种局部搜索启发式方法有效地找到全球最佳模型。该结果适用于输入/输出对的任意培训数据。对于可区分的激活函数，我们还表明，适当初始化的梯度下降以线性速率收敛到全球最佳模型。该结果着重于选择输入的可实现模型。根据高斯分布和标签是根据种植的重量系数生成的。

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 $）。

神经切线内核（NTK）已成为提供记忆，优化和泛化的强大工具，可保证深度神经网络。一项工作已经研究了NTK频谱的两层和深网，其中至少具有$ \ omega（n）$神经元的层，$ n $是培训样本的数量。此外，有越来越多的证据表明，只要参数数量超过样品数量，具有亚线性层宽度的深网是强大的记忆和优化器。因此，一个自然的开放问题是NTK是否在如此充满挑战的子线性设置中适应得很好。在本文中，我们以肯定的方式回答了这个问题。我们的主要技术贡献是对最小的深网的最小NTK特征值的下限，最小可能的过度参数化：参数的数量大约为$ \ omega（n）$，因此，神经元的数量仅为$ $ $ \ omega（\ sqrt {n}）$。为了展示我们的NTK界限的适用性，我们为梯度下降训练提供了两个有关记忆能力和优化保证的结果。

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.

我们提供了新的基于梯度的方法，以便有效解决广泛的病态化优化问题。我们考虑最小化函数$ f：\ mathbb {r} ^ d \ lightarrow \ mathbb {r} $的问题，它是隐含的可分解的，作为$ m $未知的非交互方式的总和，强烈的凸起功能并提供方法这解决了这个问题，这些问题是缩放（最快的对数因子）作为组件的条件数量的平方根的乘积。这种复杂性绑定（我们证明几乎是最佳的）可以几乎指出的是加速梯度方法的几乎是指数的，这将作为$ F $的条件数量的平方根。此外，我们提供了求解该多尺度优化问题的随机异标变体的有效方法。而不是学习$ F $的分解（这将是过度昂贵的），而是我们的方法应用一个清洁递归“大步小步”交错标准方法。由此产生的算法使用$ \ tilde {\ mathcal {o}}（d m）$空间，在数字上稳定，并打开门以更细粒度的了解凸优化超出条件号的复杂性。

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。

近似消息传递（AMP）是解决高维统计问题的有效迭代范式。但是，当迭代次数超过$ o \ big（\ frac {\ log n} {\ log log \ log \ log n} \时big）$（带有$ n $问题维度）。为了解决这一不足，本文开发了一个非吸附框架，用于理解峰值矩阵估计中的AMP。基于AMP更新的新分解和可控的残差项，我们布置了一个分析配方，以表征在存在独立初始化的情况下AMP的有限样本行为，该过程被进一步概括以进行光谱初始化。作为提出的分析配方的两个具体后果：（i）求解$ \ mathbb {z} _2 $同步时，我们预测了频谱初始化AMP的行为，最高为$ o \ big（\ frac {n} {\ mathrm {\ mathrm { poly} \ log n} \ big）$迭代，表明该算法成功而无需随后的细化阶段（如最近由\ citet {celentano2021local}推测）; （ii）我们表征了稀疏PCA中AMP的非反应性行为（在尖刺的Wigner模型中），以广泛的信噪比。

最近以来，在理解与overparameterized模型非凸损失基于梯度的方法收敛性和泛化显著的理论进展。尽管如此，优化和推广，尤其是小的随机初始化的关键作用的许多方面都没有完全理解。在本文中，我们迈出玄机通过证明小的随机初始化这个角色的步骤，然后通过梯度下降的行为类似于流行谱方法的几个迭代。我们还表明，从小型随机初始化，这可证明是用于overparameterized车型更加突出这种隐含的光谱偏差，也使梯度下降迭代在一个特定的轨迹走向，不仅是全局最优的，但也很好期广义的解决方案。具体而言，我们专注于通过天然非凸制剂重构从几个测量值的低秩矩阵的问题。在该设置中，我们表明，从小的随机初始化的梯度下降迭代的轨迹可以近似分解为三个阶段：（Ⅰ）的光谱或对准阶段，其中，我们表明，该迭代具有一个隐含的光谱偏置类似于频谱初始化允许我们表明，在该阶段中进行迭代，并且下面的低秩矩阵的列空间被充分对准的端部，（II）一鞍回避/细化阶段，我们表明，该梯度的轨迹从迭代移动离开某些简并鞍点，和（III）的本地细化阶段，其中，我们表明，避免了鞍座后的迭代快速收敛到底层低秩矩阵。底层我们的分析是，可能有超出低等级的重建计算问题影响overparameterized非凸优化方案的分析见解。

过度分辨率是指选择神经网络的宽度，使得学习算法可以在非凸训练中可被估计零损失的重要现象。现有理论建立了各种初始化策略，培训修改和宽度缩放等全局融合。特别地，最先进的结果要求宽度以二次逐步缩放，并在实践中使用的标准初始化策略下进行培训数据的数量，以获得最佳泛化性能。相比之下，最新的结果可以获得线性缩放，需要导致导致“懒惰训练”的初始化，或者仅训练单层。在这项工作中，我们提供了一个分析框架，使我们能够采用标准的初始化策略，可能避免懒惰的训练，并在基本浅色神经网络中同时培训所有层，同时获得网络宽度的理想子标缩放。我们通过Polyak-Lojasiewicz条件，平滑度和数据标准假设实现了Desiderata，并使用随机矩阵理论的工具。

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。

深度学习理论的最新目标是确定神经网络如何逃脱“懒惰训练”或神经切线内核（NTK）制度，在该制度中，网络与初始化时的一阶泰勒扩展相结合。尽管NTK是最大程度地用于学习密集多项式的最佳选择（Ghorbani等，2021），但它无法学习特征，因此对于学习包括稀疏多项式（稀疏多项式）的许多类别的功能的样本复杂性较差。因此，最近的工作旨在确定基于梯度的算法比NTK更好地概括的设置。一个这样的例子是Bai和Lee（2020）的“ Quadntk”方法，该方法分析了泰勒膨胀中的二阶项。 Bai和Lee（2020）表明，二阶项可以有效地学习稀疏的多项式。但是，它牺牲了学习一般密集多项式的能力。在本文中，我们分析了两层神经网络上的梯度下降如何通过利用NTK（Montanari和Zhong，2020）的光谱表征并在Quadntk方法上构建来逃脱NTK制度。我们首先扩展了光谱分析，以确定参数空间中的“良好”方向，在该空间中我们可以在不损害概括的情况下移动。接下来，我们表明一个宽的两层神经网络可以共同使用NTK和QUADNTK来适合由密集的低度项和稀疏高度术语组成的目标功能 - NTK和Quadntk无法在他们自己的。最后，我们构建了一个正常化程序，该正规化器鼓励我们的参数向量以“良好”的方向移动，并表明正规化损失上的梯度下降将融合到全局最小化器，这也有较低的测试误差。这产生了端到端的融合和概括保证，并自行对NTK和Quadntk进行了可证明的样本复杂性的改善。

我们在随机特征矩阵的条件数上提供（高概率）界限。特别是，我们表明，如果复杂性比率$ \ frac {n} $ where $ n $是n $ with n $ wore $ n $是$ m $的数量，如$ \ log ^ {-1}（ n）$或$ \ log（m）$，然后随机功能矩阵很好。该结果在没有正则化的情况下保持并且依赖于在随机特征矩阵的相关组件之间建立各种浓度界限。另外，我们在随机特征矩阵的受限等距常数上获得界限。我们证明了使用随机特征矩阵的回归问题相关的风险表现出双重下降现象，并且这是条件数的双缩小行为的效果。风险范围包括使用最小二乘问题的underParamedAimed设置和使用最小规范插值问题或稀疏回归问题的过次参数化设置。对于最小二乘或稀疏的回归案例，我们表明风险降低为$ M $和$ N $增加，即使在存在有限或随机噪声时也是如此。风险绑定与文献中的最佳缩放匹配，我们的结果中的常量是显式的，并且独立于数据的维度。

我们考虑使用梯度下降来最大程度地减少$ f（x）= \ phi（xx^{t}）$在$ n \ times r $因件矩阵$ x $上，其中$ \ phi是一种基础平稳凸成本函数定义了$ n \ times n $矩阵。虽然只能在合理的时间内发现只有二阶固定点$ x $，但如果$ x $的排名不足，则其排名不足证明其是全球最佳的。这种认证全球最优性的方式必然需要当前迭代$ x $的搜索等级$ r $，以相对于级别$ r^{\ star} $过度参数化。不幸的是，过度参数显着减慢了梯度下降的收敛性，从$ r = r = r = r^{\ star} $的线性速率到$ r> r> r> r> r^{\ star} $，即使$ \ phi $是$ \ phi $强烈凸。在本文中，我们提出了一项廉价的预处理，该预处理恢复了过度参数化的情况下梯度下降回到线性的收敛速率，同时也使在全局最小化器$ x^{\ star} $中可能不良条件变得不可知。

提供了一种强大而灵活的模型，可用于代表多属数据和多种方式相互作用，在科学和工程中的各个领域中发挥着现代数据科学中的不可或缺的作用。基本任务是忠实地以统计和计算的有效方式从高度不完整的测量中恢复张量。利用Tucker分解中的张量的低级别结构，本文开发了一个缩放的梯度下降（Scaledgd）算法，可以直接恢复具有定制频谱初始化的张量因子，并表明它以与条件号无关的线性速率收敛对于两个规范问题的地面真理张量 - 张量完成和张量回归 - 一旦样本大小高于$ n ^ {3/2} $忽略其他参数依赖项，$ n $是维度张量。这导致与现有技术相比的低秩张力估计的极其可扩展的方法，这些方法具有以下至少一个缺点：对记忆和计算方面的对不良，偏移成本高的极度敏感性，或差样本复杂性保证。据我们所知，Scaledgd是第一算法，它可以同时实现近最佳统计和计算复杂性，以便与Tucker分解进行低级张力完成。我们的算法突出了加速非耦合统计估计在加速非耦合统计估计中的适当预处理的功率，其中迭代改复的预处理器促进轨迹的所需的不变性属性相对于低级张量分解中的底层对称性。

We consider the problem of estimating the optimal transport map between a (fixed) source distribution $P$ and an unknown target distribution $Q$, based on samples from $Q$. The estimation of such optimal transport maps has become increasingly relevant in modern statistical applications, such as generative modeling. At present, estimation rates are only known in a few settings (e.g. when $P$ and $Q$ have densities bounded above and below and when the transport map lies in a H\"older class), which are often not reflected in practice. We present a unified methodology for obtaining rates of estimation of optimal transport maps in general function spaces. Our assumptions are significantly weaker than those appearing in the literature: we require only that the source measure $P$ satisfies a Poincar\'e inequality and that the optimal map be the gradient of a smooth convex function that lies in a space whose metric entropy can be controlled. As a special case, we recover known estimation rates for bounded densities and H\"older transport maps, but also obtain nearly sharp results in many settings not covered by prior work. For example, we provide the first statistical rates of estimation when $P$ is the normal distribution and the transport map is given by an infinite-width shallow neural network.

最近的一项工作已经通过神经切线核（NTK）分析了深神经网络的理论特性。特别是，NTK的最小特征值与记忆能力，梯度下降算法的全球收敛性和深网的概括有关。但是，现有结果要么在两层设置中提供边界，要么假设对于多层网络，将NTK矩阵的频谱从0界限为界限。在本文中，我们在无限宽度和有限宽度的限制情况下，在最小的ntk矩阵的最小特征值上提供了紧密的界限。在有限宽度的设置中，我们认为的网络体系结构相当笼统：我们需要大致订购$ n $神经元的宽层，$ n $是数据示例的数量；剩余层宽度的缩放是任意的（取决于对数因素）。为了获得我们的结果，我们分析了各种量的独立兴趣：我们对隐藏特征矩阵的最小奇异值以及输入输出特征图的Lipschitz常数上的上限给出了下限。

我们调查与高斯的混合的数据分享共同但未知，潜在虐待协方差矩阵的数据。我们首先考虑具有两个等级大小的组件的高斯混合，并根据最大似然估计导出最大切割整数程序。当样品的数量在维度下线性增长时，我们证明其解决方案实现了最佳的错误分类率，直到对数因子。但是，解决最大切割问题似乎是在计算上棘手的。为了克服这一点，我们开发了一种高效的频谱算法，该算法达到最佳速率，但需要一种二次样本量。虽然这种样本复杂性比最大切割问题更差，但我们猜测没有多项式方法可以更好地执行。此外，我们收集了支持统计计算差距存在的数值和理论证据。最后，我们将MAX-CUT程序概括为$ k $ -means程序，该程序处理多组分混合物的可能性不平等。它享有相似的最优性保证，用于满足运输成本不平等的分布式的混合物，包括高斯和强烈的对数的分布。

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。

通过梯度流优化平均平衡误差，研究了功能空间中神经网络的动态。我们认为，在underParameterized制度中，网络了解由与其特征值对应的率的神经切线内核（NTK）确定的整体运算符$ t_ {k ^ \ infty} $的特征功能。例如，对于SPENTE $ S ^ {D-1} $和旋转不变的权重分配的均匀分布式数据，$ t_ {k ^ \ infty} $的特征函数是球形谐波。我们的结果可以理解为描述interparameterized制度中的光谱偏压。证据使用“阻尼偏差”的概念，其中NTK物质对具有由于阻尼因子的发生而具有大特征值的特征的偏差。除了下公共条例的制度之外，阻尼偏差可用于跟踪过度分辨率设置中经验风险的动态，允许我们在文献中延长某些结果。我们得出结论，阻尼偏差在优化平方误差时提供了动态的简单和统一的视角。