This paper provides theoretical insights into why and how deep learning can generalize well, despite its large capacity, complexity, possible algorithmic instability, nonrobustness, and sharp minima, responding to an open question in the literature. We also discuss approaches to provide non-vacuous generalization guarantees for deep learning. Based on theoretical observations, we propose new open problems and discuss the limitations of our results.

With a goal of understanding what drives generalization in deep networks, we consider several recently suggested explanations, including norm-based control, sharpness and robustness. We study how these measures can ensure generalization, highlighting the importance of scale normalization, and making a connection between sharpness and PAC-Bayes theory. We then investigate how well the measures explain different observed phenomena.

We define notions of stability for learning algorithms and show how to use these notions to derive generalization error bounds based on the empirical error and the leave-one-out error. The methods we use can be applied in the regression framework as well as in the classification one when the classifier is obtained by thresholding a real-valued function. We study the stability properties of large classes of learning algorithms such as regularization based algorithms. In particular we focus on Hilbert space regularization and Kullback-Leibler regularization. We demonstrate how to apply the results to SVM for regression and classification.1. For a qualitative discussion about sensitivity analysis with links to other resources see e.g. http://sensitivity-analysis.jrc.cec.eu.int/

本文证明了鲁棒性意味着通过数据依赖性的概括界限进行概括。结果，鲁棒性和概括被证明是以数据依赖性方式紧密连接的。我们的界限改善了以前的两个方向的界限，以解决自2010年以来几乎没有发展的开放问题。第一个是减少对覆盖码的依赖。第二个是消除对假设空间的依赖性。我们提供了几个示例，包括套索和深度学习的例子，其中我们的界限被证明是可取的。关于现实世界数据和理论模型的实验表明，在各种情况下的近乎指数改进。为了实现这些改进，我们不需要关于未知分布的其他假设。取而代之的是，我们仅包含训练样本的可观察到的可计算特性。一个关键的技术创新是对多项式随机变量的改善浓度，它超出了鲁棒性和泛化。

我们研究了$ \ Mathcal {r} $的结构和统计属性 - 规范最小化由特定目标函数标记的数据集的内侧插值。$ \ MATHCAL {R} $ - 标准是两层神经网络的电感偏差的基础，最近引入了捕获网络权重大小的功能效果，与网络宽度无关。我们发现，即使有适合数据的脊函数，这些插值也是本质上的多元功能，而且$ \ Mathcal {r} $ - 规范归纳偏见不足以实现某些学习问题的统计上最佳概括。总的来说，这些结果为与实际神经网络训练有关的感应偏见提供了新的启示。

Deep nets generalize well despite having more parameters than the number of training samples. Recent works try to give an explanation using PAC-Bayes and Margin-based analyses, but do not as yet result in sample complexity bounds better than naive parameter counting. The current paper shows generalization bounds that're orders of magnitude better in practice. These rely upon new succinct reparametrizations of the trained net -a compression that is explicit and efficient. These yield generalization bounds via a simple compression-based framework introduced here. Our results also provide some theoretical justification for widespread empirical success in compressing deep nets.Analysis of correctness of our compression relies upon some newly identified "noise stability"properties of trained deep nets, which are also experimentally verified. The study of these properties and resulting generalization bounds are also extended to convolutional nets, which had eluded earlier attempts on proving generalization.

我们研究了使用尖刺，现场依赖的随机矩阵理论研究迷你批次对深神经网络损失景观的影响。我们表明，批量黑森州的极值值的大小大于经验丰富的黑森州。我们还获得了类似的结果对Hessian的概括高斯牛顿矩阵近似。由于我们的定理，我们推导出作为批量大小的最大学习速率的分析表达式，为随机梯度下降（线性缩放）和自适应算法（例如ADAM（Square Root Scaling）提供了通知实际培训方案，例如光滑，非凸深神经网络。虽然随机梯度下降的线性缩放是在我们概括的更多限制性条件下导出的，但是适应优化者的平方根缩放规则是我们的知识，完全小说。随机二阶方法和自适应方法的百分比，我们得出了最小阻尼系数与学习率与批量尺寸的比率成比例。我们在Cifar-$ 100 $和ImageNet数据集上验证了我们的VGG / WimerEsnet架构上的索赔。根据我们对象检的调查，我们基于飞行学习率和动量学习者开发了一个随机兰齐齐竞争，这避免了对这些关键的超参数进行昂贵的多重评估的需求，并在预残留的情况下显示出良好的初步结果Cifar的architecure - $ 100 $。

所有著名的机器学习算法构成了受监督和半监督的学习工作，只有在一个共同的假设下：培训和测试数据遵循相同的分布。当分布变化时，大多数统计模型必须从新收集的数据中重建，对于某些应用程序，这些数据可能是昂贵或无法获得的。因此，有必要开发方法，以减少在相关领域中可用的数据并在相似领域中进一步使用这些数据，从而减少需求和努力获得新的标签样品。这引起了一个新的机器学习框架，称为转移学习：一种受人类在跨任务中推断知识以更有效学习的知识能力的学习环境。尽管有大量不同的转移学习方案，但本调查的主要目的是在特定的，可以说是最受欢迎的转移学习中最受欢迎的次级领域，概述最先进的理论结果，称为域适应。在此子场中，假定数据分布在整个培训和测试数据中发生变化，而学习任务保持不变。我们提供了与域适应性问题有关的现有结果的首次最新描述，该结果涵盖了基于不同统计学习框架的学习界限。

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。

Existing generalization bounds fail to explain crucial factors that drive generalization of modern neural networks. Since such bounds often hold uniformly over all parameters, they suffer from over-parametrization, and fail to account for the strong inductive bias of initialization and stochastic gradient descent. As an alternative, we propose a novel optimal transport interpretation of the generalization problem. This allows us to derive instance-dependent generalization bounds that depend on the local Lipschitz regularity of the earned prediction function in the data space. Therefore, our bounds are agnostic to the parametrization of the model and work well when the number of training samples is much smaller than the number of parameters. With small modifications, our approach yields accelerated rates for data on low-dimensional manifolds, and guarantees under distribution shifts. We empirically analyze our generalization bounds for neural networks, showing that the bound values are meaningful and capture the effect of popular regularization methods during training.

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。

我们研究了神经网络中平方损耗训练问题的优化景观和稳定性，但通用非线性圆锥近似方案。据证明，如果认为非线性圆锥近似方案是（以适当定义的意义）比经典线性近似方法更具表现力，并且如果存在不完美的标签向量，则在方位损耗的训练问题必须在其中不稳定感知其解决方案集在训练数据中的标签向量上不连续地取决于标签向量。我们进一步证明对这些不稳定属性负责的效果也是马鞍点出现的原因和杂散的局部最小值，这可能是从全球解决方案的任意遥远的，并且既不训练问题也不是训练问题的不稳定性通常，杂散局部最小值的存在可以通过向目标函数添加正则化术语来克服衡量近似方案中参数大小的目标函数。无论可实现的可实现性是否满足，后一种结果都被证明是正确的。我们表明，我们的分析特别适用于具有可变宽度的自由结插值方案和深层和浅层神经网络的培训问题，其涉及各种激活功能的任意混合（例如，二进制，六骨，Tanh，arctan，软标志， ISRU，Soft-Clip，SQNL，Relu，Lifley Relu，Soft-Plus，Bent Identity，Silu，Isrlu和ELU）。总之，本文的发现说明了神经网络和一般非线性圆锥近似仪器的改进近似特性以直接和可量化的方式与必须解决的优化问题的不期望的性质链接，以便训练它们。

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。

由学习的迭代软阈值算法（Lista）的动机，我们介绍了一种适用于稀疏重建的一般性网络，从少数线性测量。通过在层之间允许各种重量共享度，我们为非常不同的神经网络类型提供统一分析，从复发到网络更类似于标准前馈神经网络。基于训练样本，通过经验风险最小化，我们旨在学习最佳网络参数，从而实现从其低维线性测量的最佳网络。我们通过分析由这种深网络组成的假设类的RadeMacher复杂性来衍生泛化界限，这也考虑了阈值参数。我们获得了对样本复杂性的估计，基本上只取决于参数和深度的数量。我们应用主要结果以获得几个实际示例的特定泛化界限，包括（隐式）字典学习和卷积神经网络的不同算法。

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。

我们研究神经网络的基于规范的统一收敛范围，旨在密切理解它们如何受到规范约束的架构和类型的影响，对于简单的标量价值一类隐藏的一层网络，并在其中界定了输入。欧几里得规范。我们首先证明，通常，控制隐藏层重量矩阵的光谱规范不足以获得均匀的收敛保证（与网络宽度无关），而更强的Frobenius Norm Control是足够的，扩展并改善了以前的工作。在证明构造中，我们识别和分析了两个重要的设置，在这些设置中（可能令人惊讶）仅光谱规范控制就足够了：首先，当网络的激活函数足够平滑时（结果扩展到更深的网络）；其次，对于某些类型的卷积网络。在后一种情况下，我们研究样品复杂性如何受到参数的影响，例如斑块之间的重叠量和斑块的总数。

本文通过引入几何深度学习（GDL）框架来构建通用馈电型型模型与可区分的流形几何形状兼容的通用馈电型模型，从而解决了对非欧国人数据进行处理的需求。我们表明，我们的GDL模型可以在受控最大直径的紧凑型组上均匀地近似任何连续目标函数。我们在近似GDL模型的深度上获得了最大直径和上限的曲率依赖性下限。相反，我们发现任何两个非分类紧凑型歧管之间始终都有连续的函数，任何“局部定义”的GDL模型都不能均匀地近似。我们的最后一个主要结果确定了数据依赖性条件，确保实施我们近似的GDL模型破坏了“维度的诅咒”。我们发现，任何“现实世界”（即有限）数据集始终满足我们的状况，相反，如果目标函数平滑，则任何数据集都满足我们的要求。作为应用，我们确认了以下GDL模型的通用近似功能：Ganea等。 （2018）的双波利馈电网络，实施Krishnan等人的体系结构。 （2015年）的深卡尔曼 - 滤波器和深度玛克斯分类器。我们构建了：Meyer等人的SPD-Matrix回归剂的通用扩展/变体。 （2011）和Fletcher（2003）的Procrustean回归剂。在欧几里得的环境中，我们的结果暗示了Kidger和Lyons（2020）的近似定理和Yarotsky和Zhevnerchuk（2019）无估计近似率的数据依赖性版本的定量版本。

我们观察到，给定两个（兼容的）函数类别$ \ MATHCAL {f} $和$ \ MATHCAL {h} $，具有较小的容量，按其均匀覆盖的数字测量，组成类$ \ Mathcal {H} \ Circ \ Mathcal {f} $可能会变得非常大，甚至无限。然后，我们证明，在用$ \ Mathcal {h} $构成$ \ Mathcal {f} $的输出中，添加少量高斯噪声可以有效地控制$ \ Mathcal {H} \ Circ \ Mathcal { F} $，提供模块化设计的一般配方。为了证明我们的结果，我们定义了均匀覆盖随机函数数量的新概念，相对于总变异和瓦斯坦斯坦距离。我们将结果实例化，以实现多层Sigmoid神经​​网络。 MNIST数据集的初步经验结果表明，在现有统一界限上改善所需的噪声量在数值上可以忽略不计（即，元素的I.I.D. I.I.D.高斯噪声，具有标准偏差$ 10^{ - 240} $）。源代码可从https://github.com/fathollahpour/composition_noise获得。

我们介绍了嘈杂的特征混音（NFM），这是一个廉价但有效的数据增强方法，这些方法结合了基于插值的训练和噪声注入方案。不是用凸面的示例和它们的标签的凸面组合训练，而不是在输入和特征空间中使用对数据点对的噪声扰动凸组合。该方法包括混合和歧管混合作为特殊情况，但它具有额外的优点，包括更好地平滑决策边界并实现改进的模型鲁棒性。我们提供理论要理解这一点以及NFM的隐式正则化效果。与混合和歧管混合相比，我们的理论得到了经验结果的支持，展示了NFM的优势。我们表明，在一系列计算机视觉基准数据集中，使用NFM培训的剩余网络和视觉变压器在清洁数据的预测准确性和鲁棒性之间具有有利的权衡。

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。