我们推出了元学学习算法概括性的新信息 - 理论分析。具体地，我们的分析提出了对传统学习 - 学习框架和现代模型 - 不可知的元学习（MAML）算法的通用理解。此外，我们为MAML的随机变体提供了一种数据依赖的泛化，这对于深入的少量学习是不受空置的。与以前的范围相比，依赖于梯度方形规范的界限，对模拟数据和众所周知的少量射击基准测试的经验验证表明，我们的绑定是大多数情况下更紧密的级。

转移学习或域适应性与机器学习问题有关，在这些问题中，培训和测试数据可能来自可能不同的概率分布。在这项工作中，我们在Russo和Xu发起的一系列工作之后，就通用错误和转移学习算法的过量风险进行了信息理论分析。我们的结果也许表明，也许正如预期的那样，kullback-leibler（kl）Divergence $ d（\ mu || \ mu'）$在$ \ mu $和$ \ mu'$表示分布的特征中起着重要作用。培训数据和测试测试。具体而言，我们为经验风险最小化（ERM）算法提供了概括误差上限，其中两个分布的数据在训练阶段都可用。我们进一步将分析应用于近似的ERM方法，例如Gibbs算法和随机梯度下降方法。然后，我们概括了与$ \ phi $ -Divergence和Wasserstein距离绑定的共同信息。这些概括导致更紧密的范围，并且在$ \ mu $相对于$ \ mu' $的情况下，可以处理案例。此外，我们应用了一套新的技术来获得替代的上限，该界限为某些学习问题提供了快速（最佳）的学习率。最后，受到派生界限的启发，我们提出了Infoboost算法，其中根据信息测量方法对源和目标数据的重要性权重进行了调整。经验结果表明了所提出的算法的有效性。

尽管深元学习取得了较高的经验成功，但对过度参数化元学习的理论理解仍然有限。本文研究了广泛使用的元学习方法，模型 - 静态元学习（MAML）的概括，该方法旨在找到快速适应新任务的良好初始化。在混合线性回归模型下，我们分析了在过度参数化方案中用SGD训练的MAML的泛化特性。我们为MAML的多余风险提供上限和下限，这捕获了SGD动力学如何影响这些泛化界限。通过如此敏锐的特征，我们进一步探讨了各种学习参数如何影响过度参数化MAML的概括能力，包括明确识别典型的数据和任务分布，这些数据和任务分布可以通过过度参数化来减少概括性错误，并表征适应性学习率对过量风险和过量风险的影响早期停车时间。我们的理论发现将通过实验进一步验证。

在不同数据分布下由不同优化算法训练的机器学习模型可以表现出明显的泛化行为。在本文中，我们分析了噪声迭代算法训练的模型的概括。通过将噪声迭代算法连接到通信和信息理论中发现的附加噪声信道来源，我们推导出依赖于分布的泛化界限。我们的泛化界限在几种应用中，包括差异私有随机梯度下降（DP-SGD），联合学习和随机梯度Langevin动力学（SGLD）。我们通过数值实验展示了我们的界限，表明他们可以帮助了解神经网络泛化现象的最新实证观察。

使用信息理论原理，我们考虑迭代半监督学习（SSL）算法的概括误差（Gen-Error），这些算法迭代地生成了大量未标记数据的伪标记，以逐步完善模型参数。与{\ em绑定} Gen-Error的大多数以前的作品相反，我们为Gen-Error提供了{\ em Exact}的表达，并将其专门为二进制高斯混合模型。我们的理论结果表明，当阶级条件差异不大时，Gen-Error随着迭代次数的数量而减少，但很快就会饱和。另一方面，如果类的条件差异（因此，类别之间的重叠量）很大，则Gen-Error随迭代次数的增加而增加。为了减轻这种不良效果，我们表明正则化可以减少Gen-Error。通过对MNIST和CIFAR数据集进行的广泛实验来证实理论结果，我们注意到，对于易于分类的类别，经过几次伪标记的迭代，Gen-Error会改善，但此后饱和，并且更难难以实现。区分类别，正则化改善了概括性能。

最近，已经证明了信息理论框架可以获得具有随机噪声的随机梯度Langevin Dynamics（SGLD）训练的大型型号的非持续泛化界限。在本文中，我们通过操纵SGLD中的噪声结构来优化信息 - 理论概括。我们证明，由于限制以保证低经验风险，最佳噪声协方差是预期梯度协方差的平方根，如果先前和后部都是联合优化的。这验证了最佳噪声非常接近经验梯度协方差。从技术上讲，我们开发了一种新的信息 - 理论界，其能够实现这种优化分析。然后，我们应用矩阵分析以导出最佳噪声协方差的形式。呈现的制约和结果是通过经验观察验证的。

元学习会自动渗透一种归纳偏差，其中包括基础学习算法的超参数，通过观察来自有限数量相关任务的数据。本文研究了pac-bayes在元概括差距方面的界限。元化差距包括两个概括差距的来源：分别由每个任务观察到有限数量的任务和数据样本而产生的环境级别和任务级别差距。在本文中，通过上边界任意凸函数，将环境的预期和经验损失与每个任务水平联系起来，我们获得了新的PAC-Bayes边界。使用这些边界，我们开发了新的Pac-Bayes元学习算法。数值示例证明了与先前的pac-bayes界限进行元学习相比，提出的新型界限和算法的优点。

我们基于新的有条件共同信息（LOO-CMI）的新量度来得出有关监督学习算法的理论概括界。与其他不利于问题结构的黑框界面相反，在实践中可能很难评估，我们的loo-CMI界限可以轻松计算，并且可以通过与其他概念（例如经典的一对一的交叉验证，优化算法的稳定性和损失景观的几何形状。它既适用于训练算法的输出及其预测。我们从经验上通过评估其在深度学习的情况下评估其预测的概括差距来验证界限的质量。特别是，我们的界限在大规模的图像分类任务上是无效的。

模型不足的元学习（MAML）已越来越流行，对于可以通过一个或几个随机梯度下降步骤迅速适应新任务的训练模型。但是，与标准的非自适应学习（NAL）相比，MAML目标更难优化，并且几乎没有理解MAML在各种情况下的溶液的快速适应性方面的改善。我们通过线性回归设置进行分析解决此问题，该设置由简单而艰难的任务组成，其中硬度与梯度下降在任务上收敛的速率有关。具体而言，我们证明，为了使MAML比NAL获得可观的收益，（i）任务之间的硬度必须有一定的差异，并且（ii）艰苦任务的最佳解决方案必须与中心远离远离中心。简单任务最佳解决方案的中心。我们还提供数值和分析结果，表明这些见解适用于两层神经网络。最后，我们提供了很少的图像分类实验，可以支持我们何时使用MAML的见解，并强调培训MAML对实践中的艰巨任务的重要性。

我们提出了Pac-Bayes风格的概括结合，该结合可以用各种积分概率指标（IPM）替换KL-Divergence。我们提供了这种结合的实例，IPM是总变异度量和Wasserstein距离。获得的边界的一个显着特征是，它们在最坏的情况下（当前和后距离彼此远距离时）在经典均匀收敛边界之间自然插值，并且在更好的情况下（后验和先验都关闭时）优选界限。这说明了使用算法和数据依赖性组件加强经典概括界限的可能性，从而使它们更适合分析使用大假设空间的算法。

在本文中，我们调查了问题：给定少数DataPoints，例如n = 30，可以严格的CAG-Bayes和测试集界限进行紧张吗？对于这种小型数据集，测试集界限通过从培训程序中扣留数据而产生不利影响泛化性能。在这种环境中，Pac-Bayes界限尤其吸引力，因为它们使用所有数据的能力同时学习后部并结合其泛化风险。我们专注于i.i.d.具有有界损失的数据，并考虑Germain等人的通用Pac-Bayes定理。虽然已知定理恢复许多现有的PAC-Bayes界，但目前尚不清楚他们的框架中最有束缚的终结。对于一个固定的学习算法和数据集，我们表明最紧密的绑定与Catoni考虑的绑定相一致;并且，在更自然的数据集发行情况下，我们在期望中获得最佳界限的下限。有趣的是，如果后部等于先前，则这个下限会恢复绑定的Chernoff测试集。此外，为了说明这些界限有多紧，我们研究了合成的一维分类任务，其中它是可行的 - 学习绑定的先前和形状，以便最有效地优化最佳界限。我们发现，在这种简单，受控的场景中，Pac-Bayes界竞争与可比常用的Chernoff测试集合界限具有竞争​​力。然而，最清晰的测试集界仍然导致泛化误差比我们考虑的Pac-Bayes所界限更好地保证。

通过使一组基本预测因素投票根据一些权重，即对某些概率分布来获得聚合预测器。根据一些规定的概率分布，通过在一组基本预测器中采样来获得随机预测器。因此，聚合和随机预测器的共同之处包括最小化问题，而是通过对预测器集的概率分布来定义。在统计学习理论中，有一套工具旨在了解此类程序的泛化能力：Pac-Bayesian或Pac-Bayes界。由于D. Mcallester的原始Pac-Bayes界，这些工具在许多方向上得到了大大改善（例如，我们将描述社区错过的O. Catoni的定位技术的简化版本，后来被重新发现“相互信息界“）。最近，Pac-Bayes的界限受到相当大的关注：例如，在2017年的Pac-Bayes上有研讨会，“（几乎）50种贝叶斯学习：Pac-Bayesian趋势和见解”，由B. Guedj，F组织。 。巴赫和P.Merain。这一最近成功的原因之一是通过G. Dziugaite和D. Roy成功地将这些限制应用于神经网络。对Pac-Bayes理论的初步介绍仍然缺失。这是一种尝试提供这样的介绍。

To date, no "information-theoretic" frameworks for reasoning about generalization error have been shown to establish minimax rates for gradient descent in the setting of stochastic convex optimization. In this work, we consider the prospect of establishing such rates via several existing information-theoretic frameworks: input-output mutual information bounds, conditional mutual information bounds and variants, PAC-Bayes bounds, and recent conditional variants thereof. We prove that none of these bounds are able to establish minimax rates. We then consider a common tactic employed in studying gradient methods, whereby the final iterate is corrupted by Gaussian noise, producing a noisy "surrogate" algorithm. We prove that minimax rates cannot be established via the analysis of such surrogates. Our results suggest that new ideas are required to analyze gradient descent using information-theoretic techniques.

基于稳定性的概念，我们研究嘈杂随机迷你批量迭代算法的泛化界限。近年来，基于稳定性（Mou等，2018; Li等，2020）和信息理论方法（Mou等，2018）和信息理论方法（徐和Raginsky，2017; Negrea等，2019年; Steinke和Zakynthinou，2020; Haghifam等，2020）。在本文中，我们统一和基本上概括了基于稳定的泛化范围，并进行了三个技术进步。首先，我们在预期（不统一）稳定性方面绑定了一般噪声随机迭代算法（不一定梯度下降）的泛化误差。预期的稳定性又可以通过LE凸轮风格的偏差界定。与o（1 / \ sqrt {n}）的许多现有范围不同，这种界限具有O（1 / n）样本依赖性。其次，我们介绍指数族族朗文动力学（EFLD），这是SGLD的大量概括，其允许与随机梯度下降（SGD）一起使用的指数家庭噪声。我们为一般EFLD算法建立基于数据相关的预期稳定性的泛化界。第三，我们考虑一个重要的特殊情况：EFLD的一个重要特殊情况：嘈杂的符号-SGD，它使用{-1，+ 1}的Bernoulli噪声扩展标志SGD。 EFLD的危识符号的泛化界限暗示了EFLD的暗示，我们还建立了算法的优化保证。此外，我们在基准数据集中呈现实证结果，以说明我们的界限与现有界限不上且定量。

过度装备数据是与生成模型的众所周知的现象，其模拟太紧密（或准确）的特定数据实例，因此可能无法可靠地预测未来的观察。在实践中，这种行为是由各种 - 有时启发式的 - 正则化技术控制，这是通过将上限发展到泛化误差的激励。在这项工作中，我们研究依赖于在跨熵损失的随机编码上依赖于随机编码的泛化误差，这通常用于深度学习进行分类问题。我们导出界定误差，示出存在根据编码分布随机生成的输入特征和潜在空间中的相应表示之间的相互信息界定的制度。我们的界限提供了对所谓的各种变分类分类中的概括的信息理解，其由Kullback-Leibler（KL）发散项进行规则化。这些结果为变分推理方法提供了高度流行的KL术语的理论理由，这些方法已经认识到作为正则化罚款有效行动。我们进一步观察了具有良好研究概念的连接，例如变形自动化器，信息丢失，信息瓶颈和Boltzmann机器。最后，我们对Mnist和CiFar数据集进行了数值实验，并表明相互信息确实高度代表了泛化误差的行为。

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。

通过定义和上限，通过定义和上限，分析了贝叶斯学习的最佳成绩性能，通过限定了最小的过度风险（MER）：通过从数据学习和最低预期损失可以实现的最低预期损失之间的差距认识到了。 MER的定义提供了一种原则状的方式来定义贝叶斯学习中的不同概念的不确定性，包括炼膜不确定性和最小的认知不确定性。提出了用于衍生MER的上限的两种方法。第一方法，通常适用于具有参数生成模型的贝叶斯学习，通过在模型参数之间的条件互信息和所观察到的数据预测的量之间的条件相互信息。它允许我们量化MER衰减随着更多数据可用而衰减为零的速率。在可实现的模型中，该方法还将MER与生成函数类的丰富性涉及，特别是二进制分类中的VC维度。具有参数预测模型的第二种方法，特别适用于贝叶斯学习，将MER与来自数据的模型参数的最小估计误差相关联。它明确地说明了模型参数估计中的不确定性如何转化为MER和最终预测不确定性。我们还将MER的定义和分析扩展到具有多个模型系列的设置以及使用非参数模型的设置。沿着讨论，我们在贝叶斯学习中的MER与频繁学习的过度风险之间建立了一些比较。

模型 - 不可知的元学习（MAML），一种流行的基于梯度的元学习框架，假设每个任务或实例对元学习​​者的贡献相等。因此，在几次拍摄学习中，它无法解决基本和新颖类之间的域转移。在这项工作中，我们提出了一种新颖的鲁棒元学习算法，巢式MAML，它学会为训练任务或实例分配权重。我们将权重用为超参数，并使用嵌套双级优化方法中设置的一小组验证任务迭代优化它们（与MAML中的标准双级优化相比）。然后，我们在元培训阶段应用NestedMaml，涉及（1）从不同于元测试任务分发的分布中采样的多个任务，或（2）具有嘈杂标签的某些数据样本。对综合和现实世界数据集的广泛实验表明，巢式米姆有效地减轻了“不需要的”任务或情况的影响，从而实现了最先进的强大的元学习方法的显着改善。

监督学习的关键假设是培训和测试数据遵循相同的概率分布。然而，这种基本假设在实践中并不总是满足，例如，由于不断变化的环境，样本选择偏差，隐私问题或高标签成本。转移学习（TL）放松这种假设，并允许我们在分销班次下学习。通常依赖于重要性加权的经典TL方法 - 基于根据重要性（即测试过度训练密度比率）的训练损失培训预测器。然而，由于现实世界机器学习任务变得越来越复杂，高维和动态，探讨了新的新方法，以应对这些挑战最近。在本文中，在介绍基于重要性加权的TL基础之后，我们根据关节和动态重要预测估计审查最近的进步。此外，我们介绍一种因果机制转移方法，该方法包含T1中的因果结构。最后，我们讨论了TL研究的未来观点。

梯度类型优化方法的证明算法依赖性的概括误差范围最近在学习理论中引起了极大的关注。但是，大多数现有的基于轨迹的分析需要对学习率（例如，快速降低学习率）或连续注​​入噪声（例如Langevin Dynamics中的高斯噪声）的限制性假设。在本文中，我们在PAC-Bayesian框架之前引入了一种新的离散数据依赖性，并证明了$ O（\ frac {1} {n} {n} {n} \ cdot \ sum_ {t = 1}^^的高概率概括限制t（\ gamma_t/\ varepsilon_t）^2 \ left \ | {\ mathbf {g} _t} _t} \ right \ |^2）for floored gd（即，梯度下降的版本具有精度下降级别$ \ varepsilon_t $） $ n $是培训样本的数量，$ \ gamma_t $是步骤$ t $，$ \ mathbf {g} _t $的学习率大致是使用所有样本计算的梯度差，并且仅使用先前的样本。 $ \ left \ | {\ mathbf {g} _t} \ right \ | $在上限和典型的范围比梯度范围norm norm $ \ left \ weft \ | {\ nabla f（w_t）} \ right \ right \ | $小得多。我们指出，我们的界限适用于非凸和非平滑场景。此外，我们的理论结果提供了测试错误的数值上限（例如，MNIST $ 0.037 $）。使用类似的技术，我们还可以为SGD的某些变体获得新的概括范围。此外，我们研究了梯度Langevin动力学（GLD）的概括界。使用同一框架与经过精心构造的先验构造的框架，我们显示了$ o（\ frac {1} {n} {n} + \ frac {l^2} {n^2} {n^2} \ sum_ {t = 1}^t（\ gamma_t/\ sigma_t）^2）$ for gld。新的$ 1/n^2 $费率是由于培训样本梯度和先验梯度之间的差异的浓度。