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.

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。

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 $）。

我们考虑估计与I.I.D的排名$ 1 $矩阵因素的问题。高斯，排名$ 1 $的测量值，这些测量值非线性转化和损坏。考虑到非线性的两种典型选择，我们研究了从随机初始化开始的此非convex优化问题的天然交流更新规则的收敛性能。我们通过得出确定性递归，即使在高维问题中也是准确的，我们显示出算法的样本分割版本的敏锐收敛保证。值得注意的是，虽然无限样本的种群更新是非信息性的，并提示单个步骤中的精确恢复，但算法 - 我们的确定性预测 - 从随机初始化中迅速地收敛。我们尖锐的非反应分析也暴露了此问题的其他几种细粒度，包括非线性和噪声水平如何影响收敛行为。从技术层面上讲，我们的结果可以通过证明我们的确定性递归可以通过我们的确定性顺序来预测我们的确定性序列，而当每次迭代都以$ n $观测来运行时，我们的确定性顺序可以通过$ n^{ - 1/2} $的波动。我们的技术利用了源自有关高维$ m $估计文献的遗留工具，并为通过随机数据的其他高维优化问题的随机初始化而彻底地分析了高阶迭代算法的途径。

我们考虑与高斯数据的高维线性回归中的插值学习，并在类高斯宽度方面证明了任意假设类别中的内插器的泛化误差。将通用绑定到欧几里德常规球恢复了Bartlett等人的一致性结果。（2020）对于最小规范内插器，并确认周等人的预测。（2020）在高斯数据的特殊情况下，对于近乎最小常态的内插器。我们通过将其应用于单位来证明所界限的一般性，从而获得最小L1-NORM Interpoolator（基础追踪）的新型一致性结果。我们的结果表明，基于规范的泛化界限如何解释并用于分析良性过度装备，至少在某些设置中。

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。

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。

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。

在负面的感知问题中，我们给出了$ n $数据点$（{\ boldsymbol x} _i，y_i）$，其中$ {\ boldsymbol x} _i $是$ d $ -densional vector和$ y_i \ in \ { + 1，-1 \} $是二进制标签。数据不是线性可分离的，因此我们满足自己的内容，以找到最大的线性分类器，具有最大的\ emph {否定}余量。换句话说，我们想找到一个单位常规矢量$ {\ boldsymbol \ theta} $，最大化$ \ min_ {i \ le n} y_i \ langle {\ boldsymbol \ theta}，{\ boldsymbol x} _i \ rangle $ 。这是一个非凸优化问题（它相当于在Polytope中找到最大标准矢量），我们在两个随机模型下研究其典型属性。我们考虑比例渐近，其中$ n，d \ to \ idty $以$ n / d \ to \ delta $，并在最大边缘$ \ kappa _ {\ text {s}}（\ delta）上证明了上限和下限）$或 - 等效 - 在其逆函数$ \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa）$。换句话说，$ \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa）$是overparametization阈值：以$ n / d \ le \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa） - \ varepsilon $一个分类器实现了消失的训练错误，具有高概率，而以$ n / d \ ge \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa）+ \ varepsilon $。我们在$ \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa）$匹配，以$ \ kappa \ to - \ idty $匹配。然后，我们分析了线性编程算法来查找解决方案，并表征相应的阈值$ \ delta _ {\ text {lin}}（\ kappa）$。我们观察插值阈值$ \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa）$和线性编程阈值$ \ delta _ {\ text {lin {lin}}（\ kappa）$之间的差距，提出了行为的问题其他算法。

套索是一种高维回归的方法，当时，当协变量$ p $的订单数量或大于观测值$ n $时，通常使用它。由于两个基本原因，经典的渐近态性理论不适用于该模型：$（1）$正规风险是非平滑的； $（2）$估算器$ \ wideHat {\ boldsymbol {\ theta}} $与true参数vector $ \ boldsymbol {\ theta}^*$无法忽略。结果，标准的扰动论点是渐近正态性的传统基础。另一方面，套索估计器可以精确地以$ n $和$ p $大，$ n/p $的订单为一。这种表征首先是在使用I.I.D的高斯设计的情况下获得的。协变量：在这里，我们将其推广到具有非偏差协方差结构的高斯相关设计。这是根据更简单的``固定设计''模型表示的。我们在两个模型中各种数量的分布之间的距离上建立了非反应界限，它们在合适的稀疏类别中均匀地固定在信号上$ \ boldsymbol {\ theta}^*$。作为应用程序，我们研究了借助拉索的分布，并表明需要校正程度对于计算有效的置信区间是必要的。

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.

了解通过随机梯度下降（SGD）训练的神经网络的特性是深度学习理论的核心。在这项工作中，我们采取了平均场景，并考虑通过SGD培训的双层Relu网络，以实现一个非变量正则化回归问题。我们的主要结果是SGD偏向于简单的解决方案：在收敛时，Relu网络实现输入的分段线性图，以及“结”点的数量 - 即，Relu网络估计器的切线变化的点数 - 在两个连续的训练输入之间最多三个。特别地，随着网络的神经元的数量，通过梯度流的解决方案捕获SGD动力学，并且在收敛时，重量的分布方法接近相关的自由能量的独特最小化器，其具有GIBBS形式。我们的主要技术贡献在于分析了这一最小化器产生的估计器：我们表明其第二阶段在各地消失，除了代表“结”要点的一些特定地点。我们还提供了经验证据，即我们的理论预测的不同可能发生与数据点不同的位置的结。

矩阵正常模型，高斯矩阵变化分布的系列，其协方差矩阵是两个较低尺寸因子的Kronecker乘积，经常用于模拟矩阵变化数据。张量正常模型将该家庭推广到三个或更多因素的Kronecker产品。我们研究了矩阵和张量模型中协方差矩阵的Kronecker因子的估计。我们向几个自然度量中的最大似然估计器（MLE）实现的误差显示了非因素界限。与现有范围相比，我们的结果不依赖于条件良好或稀疏的因素。对于矩阵正常模型，我们所有的所有界限都是最佳的对数因子最佳，对于张量正常模型，我们对最大因数和整体协方差矩阵的绑定是最佳的，所以提供足够的样品以获得足够的样品以获得足够的样品常量Frobenius错误。在与我们的样本复杂性范围相同的制度中，我们表明迭代程序计算称为触发器算法称为触发器算法的MLE的线性地收敛，具有高概率。我们的主要工具是Fisher信息度量诱导的正面矩阵的几何中的测地强凸性。这种强大的凸起由某些随机量子通道的扩展来决定。我们还提供了数值证据，使得将触发器算法与简单的收缩估计器组合可以提高缺乏采样制度的性能。

切成薄片的相互信息（SMI）定义为在随机变量的一维随机投影之间的平均值（MI）项。它是对经典MI依赖的替代度量，该量子保留了许多特性，但更可扩展到高维度。但是，对SMI本身和其估计率的定量表征取决于环境维度，这对于理解可伸缩性至关重要，仍然晦涩难懂。这项工作将原始的SMI定义扩展到$ K $ -SMI，该定义将预测视为$ k $维二维子空间，并提供了有关其依赖性尺寸的多方面帐户。在2-Wasserstein指标中使用差分熵连续性的新结果，我们对Monte Carlo（MC）基于$ K $ -SMI的估计的错误得出了尖锐的界限，并明确依赖于$ K $和环境维度，揭示了他们与样品数量的相互作用。然后，我们将MC Integrator与神经估计框架相结合，以提供端到端$ K $ -SMI估算器，为此建立了最佳的收敛率。随着尺寸的增长，我们还探索了人口$ k $ -smi的渐近学，从而为高斯近似结果提供了在适当的力矩范围下衰减的残差。我们的理论通过数值实验验证，并适用于切片Infogan，该切片完全提供了$ k $ -smi的可伸缩性问题的全面定量说明，包括SMI作为特殊情况，当$ k = 1 $。

神经网络模型的最新成功揭示了一种令人惊讶的统计现象：完全拟合噪声数据的统计模型可以很好地推广到看不见的测试数据。了解$ \ textit {良性过拟合} $的这种现象吸引了强烈的理论和经验研究。在本文中，我们考虑插值两层线性神经网络在平方损失上梯度流训练，当协变量满足亚高斯和抗浓度的特性时，在平方损耗上训练，并在多余的风险上获得界限，并且噪声是独立和次级高斯的。。通过利用最新的结果来表征该估计器的隐性偏见，我们的边界强调了初始化质量的作用以及数据协方差矩阵在实现低过量风险中的特性。

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。

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。

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。

In many modern applications of deep learning the neural network has many more parameters than the data points used for its training. Motivated by those practices, a large body of recent theoretical research has been devoted to studying overparameterized models. One of the central phenomena in this regime is the ability of the model to interpolate noisy data, but still have test error lower than the amount of noise in that data. arXiv:1906.11300 characterized for which covariance structure of the data such a phenomenon can happen in linear regression if one considers the interpolating solution with minimum $\ell_2$-norm and the data has independent components: they gave a sharp bound on the variance term and showed that it can be small if and only if the data covariance has high effective rank in a subspace of small co-dimension. We strengthen and complete their results by eliminating the independence assumption and providing sharp bounds for the bias term. Thus, our results apply in a much more general setting than those of arXiv:1906.11300, e.g., kernel regression, and not only characterize how the noise is damped but also which part of the true signal is learned. Moreover, we extend the result to the setting of ridge regression, which allows us to explain another interesting phenomenon: we give general sufficient conditions under which the optimal regularization is negative.

要了解深度学习的作品，了解神经网络的培训动态至关重要。关于这些动态的几个有趣的假设是基于经验观察到的现象，但存在有限的理论上了解此类现象的时间和原因。在本文中，我们考虑了内核最小二乘目标对梯度流动的培训动态，这是SGD培训的神经网络的限制动态。使用精确的高维渐近学，我们将拟合模型的动态表征在两个“世界”中：在甲骨文世界中，该模型在人口分布和实证世界中培训，模型在采样的数据集上培训。我们展示在内核的温和条件下，$ L ^ 2 $目标回归函数，培训动力学经历三个阶段，其特征在于两个世界的模型的行为。我们的理论结果也在数学上正式化一些有趣的深度学习现象。具体而言，在我们的环境中，我们展示了SGD逐步了解更多复杂的功能，并且存在“深度引导”现象：在第二阶段，尽管经验训练误差要小得多，但两个世界的测试错误仍然接近。最后，我们提供了一个具体的例子，比较了两种不同核的动态，这表明更快的培训不需要更好地推广。