Deep Neural Networks (DNNs) training can be difficult due to vanishing and exploding gradients during weight optimization through backpropagation. To address this problem, we propose a general class of Hamiltonian DNNs (H-DNNs) that stem from the discretization of continuous-time Hamiltonian systems and include several existing DNN architectures based on ordinary differential equations. Our main result is that a broad set of H-DNNs ensures non-vanishing gradients by design for an arbitrary network depth. This is obtained by proving that, using a semi-implicit Euler discretization scheme, the backward sensitivity matrices involved in gradient computations are symplectic. We also provide an upper-bound to the magnitude of sensitivity matrices and show that exploding gradients can be controlled through regularization. Finally, we enable distributed implementations of backward and forward propagation algorithms in H-DNNs by characterizing appropriate sparsity constraints on the weight matrices. The good performance of H-DNNs is demonstrated on benchmark classification problems, including image classification with the MNIST dataset.

深神经网络可能会脆弱，并且对小输入扰动可能会导致输出发生重大变化。在本文中，我们采用收缩理论来改善神经odes的鲁棒性（节点）。如果所有具有不同初始条件的解决方案相互融合，则动态系统是合同的。结果，随着时间的推移，在初始条件下的扰动变得越来越少。由于在节点中，输入数据对应于动态系统的初始条件，因此我们显示合同性可以减轻输入扰动的效果。更准确地说，受到哈密顿动力学的节点的启发，我们提出了一类收缩性汉密尔顿节点（CH节点）。通过正确调整标量参数，CH节点可以通过设计确保合并性，并且可以使用标准反向传播进行培训。此外，CH-Nodes享受内置的非爆炸梯度保证，这确保了良好的培训过程。最后，我们证明了CH节点在MNIST图像分类问题上使用嘈杂的测试数据的鲁棒性。

大规模的网络物理系统要求将控制策略分发，即它们仅依靠本地实时测量和与相邻代理的通信。然而，即使在看似简单的情况下，最佳分布式控制（ODC）问题也是非常棘手的。因此，最近的工作已经提出了培训神经网络（NN）分布式控制器。 NN控制器的主要挑战是它们在训练期间和之后不可依赖于训练，即，闭环系统可能不稳定，并且由于消失和爆炸梯度，训练可能失效。在本文中，我们解决了非线性端口 - 哈密顿（PH）系统网络的这些问题，其建模功率从能量系统到非完全车辆和化学反应。具体地，我们采用pH系统的组成特性，以表征具有内置闭环稳定性保证的深哈密顿控制政策，而不管互连拓扑和所选择的NN参数。此外，我们的设置可以利用近来表现良好的神经杂志的结果，以防止通过设计消失消失的梯度现象。数值实验证实了所提出的架构的可靠性，同时匹配通用神经网络策略的性能。

在本文中，我们为通过深神经网络参数参数的离散时间动力学系统的消散性和局部渐近稳定提供了足够的条件。我们利用神经网络作为点式仿射图的表示，从而揭示其本地线性操作员并使其可以通过经典的系统分析和设计方法访问。这使我们能够通过评估其耗散性并估算其固定点和状态空间分区来“打开神经动力学系统行为的黑匣子”。我们将这些局部线性运算符的规范与耗散系统中存储的能量的规范联系起来，其供应率由其总偏差项表示。从经验上讲，我们分析了这些局部线性运算符的动力学行为和特征值光谱的差异，具有不同的权重，激活函数，偏置项和深度。

在本文中，我们提出了解决稳定性和卷积神经网络（CNN）的稳定性和视野的问题的神经网络。作为提高网络深度或宽度以提高性能的替代方案，我们提出了与全球加权拉普拉斯，分数拉普拉斯和逆分数拉普拉斯算子有关的基于积分的空间非识别算子，其在物理科学中的几个问题中出现。这种网络的前向传播由部分积分微分方程（PIDE）启发。我们在自动驾驶中测试基准图像分类数据集和语义分段任务的提出神经架构的有效性。此外，我们调查了这些密集的运营商的额外计算成本以及提出神经网络的前向传播的稳定性。

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。

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。

神经运营商最近成为设计神经网络形式的功能空间之间的解决方案映射的流行工具。不同地，从经典的科学机器学习方法，以固定分辨率为输入参数的单个实例学习参数，神经运算符近似PDE系列的解决方案图。尽管他们取得了成功，但是神经运营商的用途迄今为止仅限于相对浅的神经网络，并限制了学习隐藏的管理法律。在这项工作中，我们提出了一种新颖的非局部神经运营商，我们将其称为非本体内核网络（NKN），即独立的分辨率，其特征在于深度神经网络，并且能够处理各种任务，例如学习管理方程和分类图片。我们的NKN源于神经网络的解释，作为离散的非局部扩散反应方程，在无限层的极限中，相当于抛物线非局部方程，其稳定性通过非本种载体微积分分析。与整体形式的神经运算符相似允许NKN捕获特征空间中的远程依赖性，而节点到节点交互的持续处理使NKNS分辨率独立于NKNS分辨率。与神经杂物中的相似性，在非本体意义上重新解释，并且层之间的稳定网络动态允许NKN的最佳参数从浅到深网络中的概括。这一事实使得能够使用浅层初始化技术。我们的测试表明，NKNS在学习管理方程和图像分类任务中占据基线方法，并概括到不同的分辨率和深度。

神经网络的经典发展主要集中在有限维欧基德空间或有限组之间的学习映射。我们提出了神经网络的概括，以学习映射无限尺寸函数空间之间的运算符。我们通过一类线性积分运算符和非线性激活函数的组成制定运营商的近似，使得组合的操作员可以近似复杂的非线性运算符。我们证明了我们建筑的普遍近似定理。此外，我们介绍了四类运算符参数化：基于图形的运算符，低秩运算符，基于多极图形的运算符和傅里叶运算符，并描述了每个用于用每个计算的高效算法。所提出的神经运营商是决议不变的：它们在底层函数空间的不同离散化之间共享相同的网络参数，并且可以用于零击超分辨率。在数值上，与现有的基于机器学习的方法，达西流程和Navier-Stokes方程相比，所提出的模型显示出卓越的性能，而与传统的PDE求解器相比，与现有的基于机器学习的方法有关的基于机器学习的方法。

在本文中，我们提出了一种基于深度学习的数值方案，用于强烈耦合FBSDE，这是由随机控制引起的。这是对深度BSDE方法的修改，其中向后方程的初始值不是一个免费参数，并且新的损失函数是控制问题的成本的加权总和，而差异项与与该的差异相吻合终端条件下的平均误差。我们通过一个数值示例表明，经典深度BSDE方法的直接扩展为FBSDE，失败了简单的线性季度控制问题，并激励新方法为何工作。在定期和有限性的假设上，对时间连续和时间离散控制问题的确切控制，我们为我们的方法提供了错误分析。我们从经验上表明，该方法收敛于三个不同的问题，一个方法是直接扩展Deep BSDE方法的问题。

We propose a simultaneous learning and pruning algorithm capable of identifying and eliminating irrelevant structures in a neural network during the early stages of training. Thus, the computational cost of subsequent training iterations, besides that of inference, is considerably reduced. Our method, based on variational inference principles using Gaussian scale mixture priors on neural network weights, learns the variational posterior distribution of Bernoulli random variables multiplying the units/filters similarly to adaptive dropout. Our algorithm, ensures that the Bernoulli parameters practically converge to either 0 or 1, establishing a deterministic final network. We analytically derive a novel hyper-prior distribution over the prior parameters that is crucial for their optimal selection and leads to consistent pruning levels and prediction accuracy regardless of weight initialization or the size of the starting network. We prove the convergence properties of our algorithm establishing theoretical and practical pruning conditions. We evaluate the proposed algorithm on the MNIST and CIFAR-10 data sets and the commonly used fully connected and convolutional LeNet and VGG16 architectures. The simulations show that our method achieves pruning levels on par with state-of the-art methods for structured pruning, while maintaining better test-accuracy and more importantly in a manner robust with respect to network initialization and initial size.

我们为特殊神经网络架构，称为运营商复发性神经网络的理论分析，用于近似非线性函数，其输入是线性运算符。这些功能通常在解决方案算法中出现用于逆边值问题的问题。传统的神经网络将输入数据视为向量，因此它们没有有效地捕获与对应于这种逆问题中的数据的线性运算符相关联的乘法结构。因此，我们介绍一个类似标准的神经网络架构的新系列，但是输入数据在向量上乘法作用。由较小的算子出现在边界控制中的紧凑型操作员和波动方程的反边值问题分析，我们在网络中的选择权重矩阵中促进结构和稀疏性。在描述此架构后，我们研究其表示属性以及其近似属性。我们还表明，可以引入明确的正则化，其可以从所述逆问题的数学分析导出，并导致概括属性上的某些保证。我们观察到重量矩阵的稀疏性改善了概括估计。最后，我们讨论如何将运营商复发网络视为深度学习模拟，以确定诸如用于从边界测量的声波方程中重建所未知的WAVESTED的边界控制的算法算法。

We develop new theoretical results on matrix perturbation to shed light on the impact of architecture on the performance of a deep network. In particular, we explain analytically what deep learning practitioners have long observed empirically: the parameters of some deep architectures (e.g., residual networks, ResNets, and Dense networks, DenseNets) are easier to optimize than others (e.g., convolutional networks, ConvNets). Building on our earlier work connecting deep networks with continuous piecewise-affine splines, we develop an exact local linear representation of a deep network layer for a family of modern deep networks that includes ConvNets at one end of a spectrum and ResNets, DenseNets, and other networks with skip connections at the other. For regression and classification tasks that optimize the squared-error loss, we show that the optimization loss surface of a modern deep network is piecewise quadratic in the parameters, with local shape governed by the singular values of a matrix that is a function of the local linear representation. We develop new perturbation results for how the singular values of matrices of this sort behave as we add a fraction of the identity and multiply by certain diagonal matrices. A direct application of our perturbation results explains analytically why a network with skip connections (such as a ResNet or DenseNet) is easier to optimize than a ConvNet: thanks to its more stable singular values and smaller condition number, the local loss surface of such a network is less erratic, less eccentric, and features local minima that are more accommodating to gradient-based optimization. Our results also shed new light on the impact of different nonlinear activation functions on a deep network's singular values, regardless of its architecture.

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。

几种广泛使用的一阶马鞍点优化方法将衍生天然衍生时的梯度下降成本（GDA）方法的相同连续时间常分等式（ODE）。然而，即使在简单的双线性游戏上，它们的收敛性也很差异。我们使用一种来自流体动力学的技术，称为高分辨率微分方程（HRDE）来设计几个骑马点优化方法的杂散。在双线性游戏中，派生HRDE的收敛性属性对应于起始离散方法的收敛性。使用这些技术，我们表明乐观梯度下降的HRDE具有最后迭代单调变分不等式的迭代收敛。据我们所知，这是第一个连续时间动态，用于收敛此类常规设置。此外，我们提供了ogda方法的最佳迭代收敛的速率，仅依靠单调运营商的一阶平滑度。

计算科学和统计推断中的许多应用都需要计算有关具有未知归一化常数的复杂高维分布以及这些常数的估计。在这里，我们开发了一种基于从简单的基本分布生成样品，沿着速度场生成的流量运输的方法，并沿这些流程线执行平均值。这种非平衡重要性采样（NEIS）策略是直接实施的，可用于具有任意目标分布的计算。在理论方面，我们讨论了如何将速度场定制到目标，并建立所提出的估计器是一个完美的估计器，具有零变化。我们还通过将基本分布映射到目标上，通过传输图绘制了NEIS和方法之间的连接。在计算方面，我们展示了如何使用深度学习来代表神经网络，并将其训练为零方差最佳。这些结果在高维示例上进行了数值说明，我们表明训练速度场可以将NEIS估计量的方差降低至6个数量级，而不是Vanilla估计量。我们还表明，NEIS在这些示例上的表现要比NEAL的退火重要性采样（AIS）更好。

We investigate the asymptotic properties of deep Residual networks (ResNets) as the number of layers increases. We first show the existence of scaling regimes for trained weights markedly different from those implicitly assumed in the neural ODE literature. We study the convergence of the hidden state dynamics in these scaling regimes, showing that one may obtain an ODE, a stochastic differential equation (SDE) or neither of these. In particular, our findings point to the existence of a diffusive regime in which the deep network limit is described by a class of stochastic differential equations (SDEs). Finally, we derive the corresponding scaling limits for the backpropagation dynamics.

低维歧管假设认为，在许多应用中发现的数据，例如涉及自然图像的数据（大约）位于嵌入高维欧几里得空间中的低维歧管上。在这种情况下，典型的神经网络定义了一个函数，该函数在嵌入空间中以有限数量的向量作为输入。但是，通常需要考虑在训练分布以外的点上评估优化网络。本文考虑了培训数据以$ \ mathbb r^d $的线性子空间分配的情况。我们得出对由神经网络定义的学习函数变化的估计值，沿横向子空间的方向。我们研究了数据歧管的编纂中与网络的深度和噪声相关的潜在正则化效应。由于存在噪声，我们还提出了训练中的其他副作用。

We introduce a novel gated recurrent unit (GRU) with a weighted time-delay feedback mechanism in order to improve the modeling of long-term dependencies in sequential data. This model is a discretized version of a continuous-time formulation of a recurrent unit, where the dynamics are governed by delay differential equations (DDEs). By considering a suitable time-discretization scheme, we propose $\tau$-GRU, a discrete-time gated recurrent unit with delay. We prove the existence and uniqueness of solutions for the continuous-time model, and we demonstrate that the proposed feedback mechanism can help improve the modeling of long-term dependencies. Our empirical results show that $\tau$-GRU can converge faster and generalize better than state-of-the-art recurrent units and gated recurrent architectures on a range of tasks, including time-series classification, human activity recognition, and speech recognition.