为了在深度学习中解释隐性正则化时，给予了矩阵和张量因子化的突出重点，这与简化的神经网络相对应。结果表明，这些模型分别表现出对低基质和张量排名的隐式趋势。当前的论文理论上绘制了更接近实际的深度学习，从理论上分析了分层张分解中的隐式正则化，该模型等同于某些深卷积神经网络。通过动态系统镜头，我们克服了与层次结构相关的挑战，并建立了对低层次张量级别的隐性正则化。这转化为相关卷积网络对区域的隐性正则化。受我们的理论的启发，我们设计了明确的正则化，阻碍了区域性，并证明了其在需要建筑变化的传统智慧的情况下，可以改善现代卷积网络在非本地任务上的性能。我们的工作突出了通过对其隐式正则化的理论分析来增强神经网络的潜力。

Efforts to understand the generalization mystery in deep learning have led to the belief that gradient-based optimization induces a form of implicit regularization, a bias towards models of low "complexity." We study the implicit regularization of gradient descent over deep linear neural networks for matrix completion and sensing, a model referred to as deep matrix factorization. Our first finding, supported by theory and experiments, is that adding depth to a matrix factorization enhances an implicit tendency towards low-rank solutions, oftentimes leading to more accurate recovery. Secondly, we present theoretical and empirical arguments questioning a nascent view by which implicit regularization in matrix factorization can be captured using simple mathematical norms. Our results point to the possibility that the language of standard regularizers may not be rich enough to fully encompass the implicit regularization brought forth by gradient-based optimization.

Graph neural networks (GNNs) are widely used for modeling complex interactions between entities represented as vertices of a graph. Despite recent efforts to theoretically analyze the expressive power of GNNs, a formal characterization of their ability to model interactions is lacking. The current paper aims to address this gap. Formalizing strength of interactions through an established measure known as separation rank, we quantify the ability of certain GNNs to model interaction between a given subset of vertices and its complement, i.e. between sides of a given partition of input vertices. Our results reveal that the ability to model interaction is primarily determined by the partition's walk index -- a graph-theoretical characteristic that we define by the number of walks originating from the boundary of the partition. Experiments with common GNN architectures corroborate this finding. As a practical application of our theory, we design an edge sparsification algorithm named Walk Index Sparsification (WIS), which preserves the ability of a GNN to model interactions when input edges are removed. WIS is simple, computationally efficient, and markedly outperforms alternative methods in terms of induced prediction accuracy. More broadly, it showcases the potential of improving GNNs by theoretically analyzing the interactions they can model.

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。

我们研究深度学习在张量分解中的隐式正则作用。虽然通过线性和某些类型的非线性神经网络中的深矩阵和“浅”张量分解中的隐式正则化促进了低级溶液，但我们表明，其在深张量因子中的作用随着深张量因子的影响，随着深度张因子的影响，随着多种形式的增长，随着其深度的增长而增长。网络。这为观察到的实验行为提供了非常忠实的描述。使用数值实验，我们证明了这种隐式正则化在得出更准确估计和更好收敛属性方面的好处。

Conventional wisdom in deep learning states that increasing depth improves expressiveness but complicates optimization. This paper suggests that, sometimes, increasing depth can speed up optimization. The effect of depth on optimization is decoupled from expressiveness by focusing on settings where additional layers amount to overparameterization -linear neural networks, a wellstudied model. Theoretical analysis, as well as experiments, show that here depth acts as a preconditioner which may accelerate convergence. Even on simple convex problems such as linear regression with p loss, p > 2, gradient descent can benefit from transitioning to a non-convex overparameterized objective, more than it would from some common acceleration schemes. We also prove that it is mathematically impossible to obtain the acceleration effect of overparametrization via gradients of any regularizer.

我们提供了通过线性激活的多渠道卷积神经网络中的$ \ ell_2 $标准来最大程度地减少$ \ ell_2 $标准而产生的功能空间表征，并经验测试了我们对使用梯度下降训练的Relu网络的假设。我们将功能空间中的诱导正规化程序定义为实现函数所需的网络权重规范的最小$ \ ell_2 $。对于具有$ C $输出频道和内核尺寸$ K $的两个层线性卷积网络，我们显示以下内容：（a）如果网络的输入是单个渠道，则任何$ k $的诱导正规器都与数字无关输出频道$ c $。此外，我们得出正常化程序是由半决赛程序（SDP）给出的规范。 （b）相比之下，对于多通道输入，仅实现所有矩阵值值线性函数而需要多个输出通道，因此归纳偏置确实取决于$ c $。但是，对于足够大的$ c $，诱导的正规化程序再次由独立于$ c $的SDP给出。特别是，$ k = 1 $和$ k = d $（输入维度）的诱导正规器以封闭形式作为核标准和$ \ ell_ {2,1} $ group-sparse Norm，线性预测指标的傅立叶系数。我们通过对MNIST和CIFAR-10数据集的实验来研究理论结果对从线性和RELU网络上梯度下降的隐式正则化的更广泛的适用性。

小组卷积神经网络（G-CNN）是卷积神经网络（CNN）的概括，通过在其体系结构中明确编码旋转和排列，在广泛的技术应用中脱颖而出。尽管G-CNN的成功是由它们的\ emph {emplapicit}对称偏见驱动的，但最近的一项工作表明，\ emph {隐式}对特定体系结构的偏差是理解过度参数化神经网的概​​括的关键。在这种情况下，我们表明，通过梯度下降训练了二进制分类的$ L $ layer全宽线性G-CNN，将二进制分类收敛到具有低级别傅立叶矩阵系数的解决方案，并由$ 2/l $ -schatten矩阵规范正规化。我们的工作严格概括了先前对线性CNN的隐性偏差对线性G-CNN的隐性分析，包括所有有限组，包括非交换组的挑战性设置（例如排列），以及无限组的频段限制G-CNN 。我们通过在各个组上实验验证定理，并在经验上探索更现实的非线性网络，该网络在局部捕获了相似的正则化模式。最后，我们通过不确定性原理提供了对傅立叶空间隐式正则化的直观解释。

我们使用张量奇异值分解（T-SVD）代数框架提出了一种新的快速流算法，用于抵抗缺失的低管级张量的缺失条目。我们展示T-SVD是三阶张量的研究型块术语分解的专业化，我们在该模型下呈现了一种算法，可以跟踪从不完全流2-D数据的可自由子模块。所提出的算法使用来自子空间的基层歧管的增量梯度下降的原理，以解决线性复杂度和时间样本的恒定存储器的张量完成问题。我们为我们的算法提供了局部预期的线性收敛结果。我们的经验结果在精确态度上具有竞争力，但在计算时间内比实际应用上的最先进的张量完成算法更快，以在有限的采样下恢复时间化疗和MRI数据。

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，我们提出了一个基于树张量网状状态的密度估计框架。所提出的方法包括使用Chow-Liu算法确定树拓扑，并获得线性系统通过草图技术定义张量 - 网络组件的线性系统。开发了草图功能的新颖选择，以考虑包含循环的图形模型。提供样品复杂性保证，并通过数值实验进一步证实。

我们在监督分类的背景下研究深网的过剩能力。也就是说，给定对基本假设类别的能力度量（在我们的情况下，是经验性的Rademacher的复杂性），我们（先验）可以限制该类别的数量，同时在与无约束性方面保持经验误差的同时保留经验误差？为了评估现代体系结构（例如残留网络）的过剩能力，我们扩展并统一了先前的Rademacher复杂性界限，以适应功能组成和添加以及卷积的结构。我们边界中的容量驱动项是层的Lipschitz常数和卷积权重初始化的（2,1）组的范围距离。在不同任务难度的基准数据集上进行的实验表明，（1）每个任务的容量大量超过容量，并且（2）可以将容量保持在整个任务的惊人相似水平。总体而言，这表明了重量规范的可压缩性概念，这是通过重量修剪正交的经典压缩概念。

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。

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。

我们研究了用$ q $ modes $ a \ in \ mathbb {r}^{n \ times \ ldots \ times n} $的近似给定张量的问题。图$ g =（v，e）$，其中$ | v | = q $，以及张张量的集合$ \ {u_v \ mid v \ in v \} $，以$ g $指定的方式收缩以获取张量$ t $。对于$ u_v $的每种模式，对应于$ v $的边缘事件，尺寸为$ k $，我们希望找到$ u_v $，以便最小化$ t $和$ a $之间的frobenius norm距离。这概括了许多众所周知的张量网络分解，例如张量列，张量环，塔克和PEPS分解。我们大约是二进制树网络$ t'$带有$ o（q）$核的大约$ a $，因此该网络的每个边缘上的尺寸最多是$ \ widetilde {o}（k^{o（dt） } \ cdot q/\ varepsilon）$，其中$ d $是$ g $的最大度，$ t $是其树宽，因此$ \ | a -t'-t'\ | _f^2 \ leq（1 + \ Varepsilon）\ | a -t \ | _f^2 $。我们算法的运行时间为$ o（q \ cdot \ text {nnz}（a）） + n \ cdot \ text {poly}（k^{dt} q/\ varepsilon）$，其中$ \ text {nnz }（a）$是$ a $的非零条目的数量。我们的算法基于一种可能具有独立感兴趣的张量分解的新维度降低技术。我们还开发了固定参数可处理的$（1 + \ varepsilon）$ - 用于张量火车和塔克分解的近似算法，改善了歌曲的运行时间，Woodruff和Zhong（Soda，2019），并避免使用通用多项式系统求解器。我们表明，我们的算法对$ 1/\ varepsilon $具有几乎最佳的依赖性，假设没有$ O（1）$ - 近似算法的$ 2 \至4 $ norm，并且运行时间比蛮力更好。最后，我们通过可靠的损失函数和固定参数可拖动CP分解给出了塔克分解的其他结果。

我们研究由线性卷积神经网络（LCN）代表的功能家族。这些函数形成了从输入空间到输出空间的线性地图集的半代数子集。相比之下，由完全连接的线性网络表示的函数家族形成代数集。我们观察到，LCN代表的功能可以通过接受某些因素化的多项式来识别，我们使用此视角来描述网络体系结构对所得功能空间几何形状的影响。我们进一步研究了在LCN上的目标函数的优化，分析了功能空间和参数空间中的临界点，并描述了梯度下降的动态不变性。总体而言，我们的理论预测，LCN的优化参数通常对应于跨层的重复过滤器，或可以分解为重复过滤器的过滤器。我们还进行了数值和符号实验，以说明我们的结果，并对小体系结构的景​​观进行深入分析。

了解神经网络大规模成功背后的基本原则是深度学习中最重要的开放性问题之一。但是，由于问题的高度复杂性，进展相对缓慢。在本说明中，通过无限宽度网络的镜头，A.K.A.神经内核，我们介绍了由分层本地产生的一个这样的原则。众所周知，无限宽度多层感知者（MLP）的特征结构仅取决于概念频率，从而测量相互作用的顺序。我们表明来自深度卷积网络（CNNS）的拓扑结构将相关的EIGenspace重组为更精细的子空间。除了频率之外，新结构还取决于概念空间，该空间测量非线性交互条款之间的空间距离。由此产生的细粒度的特征结构大大提高了网络的可读性，使它们能够同时模拟更丰富的相互作用，包括远程低频相互作用，短程 - 高频相互作用和各种插值和外插和外推 - 之间。此外，模型缩放可以改善内插和外推的分辨率，因此网络的可读性。最后，我们证明了在高维设置中任何深度的无限宽度CNN的泛化误差表征。遵循两个冠状动脉：（1）无限宽度深CNN可以在不失其富有效率的情况下打破维度的诅咒，而（2）缩放可以提高有限和无限数据制度的性能。

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.

在梯度下降中，改变我们参数化的方式如何导致巨大的优化轨迹，从而引起令人惊讶的有意义的感应偏差：识别稀疏分类器或重建低级矩阵而无明确正规化。这种隐式正规化已经假设是深入学习良好概括的贡献因素。然而，自然梯度下降近似不变于Reparameterization，它始终遵循相同的轨迹并找到相同的最佳值。自然出现的问题：如果我们消除了参数化的角色，会发生什么，将找到哪个解决方案，发生了哪些新的属性？我们在逻辑损失和深层矩阵分解下，对深层线性网络进行自然梯度流动的行为。我们的一些发现扩展到非线性神经网络，具有足够但有限的参数化。我们证明存在学习问题，其中自然梯度下降失败概括，而具有正确架构的梯度下降则表现良好。

量子哈密顿学习和量子吉布斯采样的双重任务与物理和化学中的许多重要问题有关。在低温方案中，这些任务的算法通常会遭受施状能力，例如因样本或时间复杂性差而遭受。为了解决此类韧性，我们将量子自然梯度下降的概括引入了参数化的混合状态，并提供了稳健的一阶近似算法，即量子 - 固定镜下降。我们使用信息几何学和量子计量学的工具证明了双重任务的数据样本效率，因此首次将经典Fisher效率的开创性结果推广到变异量子算法。我们的方法扩展了以前样品有效的技术，以允许模型选择的灵活性，包括基于量子汉密尔顿的量子模型，包括基于量子的模型，这些模型可能会规避棘手的时间复杂性。我们的一阶算法是使用经典镜下降二元性的新型量子概括得出的。两种结果都需要特殊的度量选择，即Bogoliubov-Kubo-Mori度量。为了从数值上测试我们提出的算法，我们将它们的性能与现有基准进行了关于横向场ISING模型的量子Gibbs采样任务的现有基准。最后，我们提出了一种初始化策略，利用几何局部性来建模状态的序列（例如量子 - 故事过程）的序列。我们从经验上证明了它在实际和想象的时间演化的经验上，同时定义了更广泛的潜在应用。