最近的作品研究了在神经切线内核（NTK）制度中训练的广泛神经网络的理论和经验特性。鉴于生物神经网络比其人工对应物宽得多，因此我们认为NTK范围广泛的神经网络是生物神经网络的可能模型。利用NTK理论，我们从理论上说明梯度下降驱动层的重量更新与其输入活动相关性一致，并通过误差加权，并从经验上证明了结果在有限宽度的宽网络中也存在。对齐结果使我们能够制定一个生物动机的，无反向传播的学习规则，理论上等同于无限宽度网络中的反向传播。我们测试了馈电和经常性神经网络中基准问题的这些学习规则，并在宽网络中证明了与反向传播相当的性能。所提出的规则在低数据制度中特别有效，这在生物学习环境中很常见。

A longstanding goal in deep learning research has been to precisely characterize training and generalization. However, the often complex loss landscapes of neural networks have made a theory of learning dynamics elusive. In this work, we show that for wide neural networks the learning dynamics simplify considerably and that, in the infinite width limit, they are governed by a linear model obtained from the first-order Taylor expansion of the network around its initial parameters. Furthermore, mirroring the correspondence between wide Bayesian neural networks and Gaussian processes, gradient-based training of wide neural networks with a squared loss produces test set predictions drawn from a Gaussian process with a particular compositional kernel. While these theoretical results are only exact in the infinite width limit, we nevertheless find excellent empirical agreement between the predictions of the original network and those of the linearized version even for finite practically-sized networks. This agreement is robust across different architectures, optimization methods, and loss functions.

最近对反向传播的近似（BP）减轻了BP的许多计算效率低下和与生物学的不兼容性，但仍然存在重要的局限性。此外，近似值显着降低了基准的准确性，这表明完全不同的方法可能更富有成果。在这里，基于在软冠军全网络中Hebbian学习的最新理论基础上，我们介绍了多层softhebb，即一种训练深神经网络的算法，没有任何反馈，目标或错误信号。结果，它通过避免重量传输，非本地可塑性，层更新的时间锁定，迭代平衡以及（自我）监督或其他反馈信号来实现效率，这在其他方法中是必不可少的。与最先进的生物学知识学习相比，它提高的效率和生物兼容性不能取得准确性的折衷，而是改善了准确性。 MNIST，CIFAR-10，STL-10和IMAGENET上最多五个隐藏层和添加的线性分类器，分别达到99.4％，80.3％，76.2％和27.3％。总之，SOFTHEBB显示出与BP的截然不同的方法，即对几层的深度学习在大脑中可能是合理的，并提高了生物学上的机器学习的准确性。

懒惰培训制度中的神经网络收敛到内核机器。在丰富的特征学习制度中可以在丰富的特征学习制度中可以使用数据依赖性内核来学习内核机器吗？我们证明，这可以是由于我们术语静音对准的现象，这可能需要网络的切线内核在特征内演变，而在小并且在损失明显降低，并且之后仅在整体尺度上生长。我们表明这种效果在具有小初始化和白化数据的同质神经网络中进行。我们在线性网络壳体提供了对这种效果的分析处理。一般来说，我们发现内核在训练的早期阶段开发了低级贡献，然后在总体上发展，产生了与最终网络的切线内核的内核回归解决方案等同的函数。内核的早期光谱学习取决于深度。我们还证明了非白化数据可以削弱无声的对准效果。

为了理论上了解训练有素的深神经网络的行为，有必要研究来自随机初始化的梯度方法引起的动态。然而，这些模型的非线性和组成结构使得这些动态难以分析。为了克服这些挑战，最近出现了大宽度的渐近学作为富有成效的观点，并导致了对真实世界的深网络的实用洞察。对于双层神经网络，已经通过这些渐近学理解，训练模型的性质根据初始随机权重的规模而变化，从内核制度（大初始方差）到特征学习制度（对于小初始方差）。对于更深的网络，更多的制度是可能的，并且在本文中，我们详细研究了与神经网络的“卑鄙字段”限制相对应的“小”初始化的特定选择，我们称之为可分配的参数化（IP）。首先，我们展示了标准I.I.D.零平均初始化，具有多于四个层的神经网络的可集参数，从无限宽度限制的静止点开始，并且不会发生学习。然后，我们提出了各种方法来避免这种琐碎的行为并详细分析所得到的动态。特别是，这些方法中的一种包括使用大的初始学习速率，并且我们表明它相当于最近提出的最大更新参数化$ \ mu $ p的修改。我们将结果与图像分类任务的数值实验确认，其另外显示出在尚未捕获的激活功能的各种选择之间的行为中的强烈差异。

人工神经网络中的监督学习通常依赖于反向传播，其中权重根据误差函数梯度进行更新，并从输出层到输入层依次传播。尽管这种方法已被证明在广泛的应用领域有效，但在许多方面缺乏生物学上的合理性，包括重量对称问题，学习对非本地信号的依赖性，错误传播期间的神经活动的冻结以及更新锁定的冻结问题。已经引入了替代培训计划，包括标志对称性，反馈对准和直接反馈对准，但它们总是依靠向后传球，这阻碍了同时解决所有问题的可能性。在这里，我们建议用第二个正向通行证替换向后通行证，其中根据网络的误差调制输入信号。我们表明，这项新颖的学习规则全面解决了上述所有问题，并且可以应用于完全连接和卷积模型。我们测试了有关MNIST，CIFAR-10和CIFAR-100的学习规则。这些结果有助于将生物学原理纳入机器学习。

我们分析了通过梯度流通过自洽动力场理论训练的无限宽度神经网络中的特征学习。我们构建了确定性动力学阶参数的集合，该参数是内部产物内核，用于在成对的时间点中，每一层中隐藏的单位激活和梯度，从而减少了通过训练对网络活动的描述。这些内核顺序参数共同定义了隐藏层激活分布，神经切线核的演变以及因此输出预测。我们表明，现场理论推导恢复了从Yang和Hu（2021）获得张量程序的无限宽度特征学习网络的递归随机过程。对于深线性网络，这些内核满足一组代数矩阵方程。对于非线性网络，我们提供了一个交替的采样过程，以求助于内核顺序参数。我们提供了与各种近似方案的自洽解决方案的比较描述。最后，我们提供了更现实的设置中的实验，这些实验表明，在CIFAR分类任务上，在不同宽度上保留了CNN的CNN的损耗和内核动力学。

How well does a classic deep net architecture like AlexNet or VGG19 classify on a standard dataset such as CIFAR-10 when its "width"-namely, number of channels in convolutional layers, and number of nodes in fully-connected internal layers -is allowed to increase to infinity? Such questions have come to the forefront in the quest to theoretically understand deep learning and its mysteries about optimization and generalization. They also connect deep learning to notions such as Gaussian processes and kernels. A recent paper [Jacot et al., 2018] introduced the Neural Tangent Kernel (NTK) which captures the behavior of fully-connected deep nets in the infinite width limit trained by gradient descent; this object was implicit in some other recent papers. An attraction of such ideas is that a pure kernel-based method is used to capture the power of a fully-trained deep net of infinite width. The current paper gives the first efficient exact algorithm for computing the extension of NTK to convolutional neural nets, which we call Convolutional NTK (CNTK), as well as an efficient GPU implementation of this algorithm. This results in a significant new benchmark for performance of a pure kernel-based method on CIFAR-10, being 10% higher than the methods reported in [Novak et al., 2019], and only 6% lower than the performance of the corresponding finite deep net architecture (once batch normalization etc. are turned off). Theoretically, we also give the first non-asymptotic proof showing that a fully-trained sufficiently wide net is indeed equivalent to the kernel regression predictor using NTK.

深度学习使用由其重量进行参数化的神经网络。通常通过调谐重量来直接最小化给定损耗功能来训练神经网络。在本文中，我们建议将权重重新参数转化为网络中各个节点的触发强度的目标。给定一组目标，可以计算使得发射强度最佳地满足这些目标的权重。有人认为，通过我们称之为级联解压缩的过程，使用培训的目标解决爆炸梯度的问题，并使损失功能表面更加光滑，因此导致更容易，培训更快，以及潜在的概括，神经网络。它还允许更容易地学习更深层次和经常性的网络结构。目标对重量的必要转换有额外的计算费用，这是在许多情况下可管理的。在目标空间中学习可以与现有的神经网络优化器相结合，以额外收益。实验结果表明了使用目标空间的速度，以及改进的泛化的示例，用于全连接的网络和卷积网络，以及调用和处理长时间序列的能力，并使用经常性网络进行自然语言处理。

当我们扩大数据集，模型尺寸和培训时间时，深入学习方法的能力中存在越来越多的经验证据。尽管有一些关于这些资源如何调节统计能力的说法，但对它们对模型培训的计算问题的影响知之甚少。这项工作通过学习$ k $ -sparse $ n $ bits的镜头进行了探索，这是一个构成理论计算障碍的规范性问题。在这种情况下，我们发现神经网络在扩大数据集大小和运行时间时会表现出令人惊讶的相变。特别是，我们从经验上证明，通过标准培训，各种体系结构以$ n^{o（k）} $示例学习稀疏的平等，而损失（和错误）曲线在$ n^{o（k）}后突然下降。 $迭代。这些积极的结果几乎匹配已知的SQ下限，即使没有明确的稀疏性先验。我们通过理论分析阐明了这些现象的机制：我们发现性能的相变不到SGD“在黑暗中绊倒”，直到它找到了隐藏的特征集（自然算法也以$ n^中的方式运行{o（k）} $ time）;取而代之的是，我们表明SGD逐渐扩大了人口梯度的傅立叶差距。

背部衰退的随机梯度下降是人工神经网络的主力。已经很久认识到，BackPropagation无法成为一种生物合理的算法。从根本上，它是一种非本地程序 - 更新一个神经元的突触权重，需要了解下游神经元的突触权重或接受领域。这限制了人工神经网络作为理解大脑中信息处理生物学原理的工具。 Lillicrap等人。 （2016）提出了一种更具生物合理的“反馈对齐”算法，该算法使用随机和固定的反向化重量，并显示有希望的模拟。在本文中，我们通过分析在平方误差损失下的两层网络的收敛和对准来研究反馈对准过程的数学特性。在过度指数化的设置中，我们证明误差会使误差快速收敛到零，并且还需要进行正则化，以便参数与随机背交量对齐。给出了与该分析一致的模拟，并建议进一步的概括。这些结果有助于我们了解生物学合理的算法如何以不同于Hebbian学习的方式进行体重学习，性能与完整的非本地反向验证算法相当。

深度学习的成功激发了人们对大脑是否使用基于梯度的学习来学习层次结构表示的兴趣。但是，目前在深层神经网络中基于梯度的信用分配的生物学上合理的方法需要无限的小反馈信号，这在生物学上现实的嘈杂环境中是有问题的，并且与神经科学的实验证据不符，表明自上而下的反馈可以显着影响神经活动。在最近提出的一种信用分配方法的深度反馈控制（DFC）的基础上，我们结合了对神经活动的强烈反馈影响与基​​于梯度的学习，并表明这自然会导致对神经网络优化的新看法。权重更新并没有逐渐将网络权重转换为具有低输出损失的配置，而是逐渐最大程度地减少了将网络驱动到监督输出标签的控制器所需的反馈量。此外，我们表明，在DFC中使用强反馈的使用允许同时学习和反馈连接，并在时空中完全本地学习规则。我们通过对标准计算机视觉基准测试的实验来补充我们的理论结果，显示了反向传播的竞争性能以及对噪声的鲁棒性。总体而言，我们的工作提出了一种从根本上新颖的学习视图，作为控制最小化，同时避开了生物学上不切实际的假设。

一项开创性的工作[Jacot等，2018]表明，在特定参数化下训练神经网络等同于执行特定的内核方法，因为宽度延伸到无穷大。这种等效性为将有关内核方法的丰富文献结果应用于神经网的结果开辟了一个有希望的方向，而神经网络很难解决。本调查涵盖了内核融合的关键结果，因为宽度进入无穷大，有限宽度校正，应用以及对相应方法的局限性的讨论。

平衡系统是表达神经计算的有力方法。作为特殊情况，它们包括对神经科学和机器学习的最新兴趣模型，例如平衡复发性神经网络，深度平衡模型或元学习。在这里，我们提出了一个新的原则，用于学习具有时间和空间本地规则的此类系统。我们的原理将学习作为一个最不控制的问题，我们首先引入一个最佳控制器，以将系统带入解决方案状态，然后将学习定义为减少达到这种状态所需的控制量。我们表明，将学习信号纳入动力学作为最佳控制可以以先前未知的方式传输信用分配信息，避免将中间状态存储在内存中，并且不依赖无穷小的学习信号。在实践中，我们的原理可以使基于梯度的学习方法的强大绩效匹配，该方法应用于涉及复发性神经网络和元学习的一系列问题。我们的结果阐明了大脑如何学习并提供解决广泛的机器学习问题的新方法。

已知生物制剂在他们的生活过程中学习许多不同的任务，并且能够重新审视以前的任务和行为，而没有表现不损失。相比之下，人工代理容易出于“灾难性遗忘”，在以前任务上的性能随着所获取的新的任务而恶化。最近使用该方法通过鼓励参数保持接近以前任务的方法来解决此缺点。这可以通过（i）使用特定的参数正常数来完成，该参数正常数是在参数空间中映射合适的目的地，或（ii）通过将渐变投影到不会干扰先前任务的子空间来指导优化旅程。然而，这些方法通常在前馈和经常性神经网络中表现出子分子表现，并且经常性网络对支持生物持续学习的神经动力学研究感兴趣。在这项工作中，我们提出了自然的持续学习（NCL），一种统一重量正则化和预测梯度下降的新方法。 NCL使用贝叶斯重量正常化来鼓励在收敛的所有任务上进行良好的性能，并将其与梯度投影结合使用先前的精度，这可以防止在优化期间陷入灾难性遗忘。当应用于前馈和经常性网络中的连续学习问题时，我们的方法占据了标准重量正则化技术和投影的方法。最后，训练有素的网络演变了特定于任务特定的动态，这些动态被认为是学习的新任务，类似于生物电路中的实验结果。

神经网络的架构和参数通常独立优化，这需要每当修改体系结构时对参数的昂贵再次再次再次进行验证。在这项工作中，我们专注于在不需要昂贵的再培训的情况下越来越多。我们提出了一种在训练期间添加新神经元的方法，而不会影响已经学到的内容，同时改善了培训动态。我们通过最大化新重量的梯度来实现后者，并通过奇异值分解（SVD）有效地找到最佳初始化。我们称这种技术渐变最大化增长（Gradmax），并展示其各种视觉任务和架构的效力。

由于其宽度趋于无穷大，如果梯度下降下的深度神经网络的行为可以简化和可预测（例如，如果神经切线核（NTK）给出，则如果适当地进行了参数化（例如，NTK参数化）。但是，我们表明，神经网络的标准和NTK参数化不接受可以学习特征的无限宽度限制，这对于训练和转移学习至关重要。我们对标准参数化提出了简单的修改，以允许在极限内进行特征学习。使用 * Tensor程序 *技术，我们为此类限制提供了明确的公式。在Word2Vec和Omniglot上通过MAML进行的几杆学习，这是两个依赖特征学习的规范任务，我们准确地计算了这些限制。我们发现它们的表现都优于NTK基准和有限宽度网络，后者接近无限宽度的特征学习表现，随着宽度的增加。更普遍地，我们对神经网络参数化的自然空间进行分类，该空间概括了标准，NTK和平均场参数化。我们显示1）该空间中的任何参数化都可以接受特征学习或具有内核梯度下降给出的无限宽度训练动力学，但并非两者兼而有之； 2）可以使用Tensor程序技术计算任何此类无限宽度限制。可以在github.com/edwardjhu/tp4上找到我们的实验代码。

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 $。

指导神经网络设计的方法的开发是深度学习理论的重要开放挑战。作为原则神经体系结构设计的范式，我们提出了高性能内核的翻译，它们对第一原理设计更好地理解和适合于等效的网络体系结构，这些网络体系结构具有较高的效率，灵活性和功能学习。为此，我们建设性地证明，只有适当的激活函数选择，任何一个正阳性点 - 产品核可以实现为完全连接的神经网络的NNGP或神经切线核，只有一个隐藏的层。我们通过数值验证我们的构建，并证明了其在多个实验中有限完全连接网络的设计工具。

二阶优化器被认为具有加快神经网络训练的潜力，但是由于曲率矩阵的尺寸巨大，它们通常需要近似值才能计算。最成功的近似家庭是Kronecker因块状曲率估计值（KFAC）。在这里，我们结合了先前工作的工具，以评估确切的二阶更新和仔细消融以建立令人惊讶的结果：由于其近似值，KFAC与二阶更新无关，尤其是，它极大地胜过真实的第二阶段更新。订单更新。这一挑战广泛地相信，并立即提出了为什么KFAC表现如此出色的问题。为了回答这个问题，我们提出了强烈的证据，表明KFAC近似于一阶算法，该算法在神经元上执行梯度下降而不是权重。最后，我们表明，这种优化器通常会在计算成本和数据效率方面改善KFAC。