不服从统计学习理论的古典智慧，即使它们通常包含数百万参数，现代深度神经网络也概括了井。最近，已经表明迭代优化算法的轨迹可以具有分形结构，并且它们的泛化误差可以与这种分形的复杂性正式连接。这种复杂性由分形的内在尺寸测量，通常比网络中的参数数量小得多。尽管这种透视提供了对为什么跨分层化的网络不会过度装备的解释，但计算内在尺寸（例如，在训练期间进行监测泛化）是一种臭名昭着的困难任务，即使在中等环境维度中，现有方法也通常失败。在这项研究中，我们考虑了从拓扑数据分析（TDA）的镜头上的这个问题，并开发了一个基于严格的数学基础的通用计算工具。通过在学习理论和TDA之间进行新的联系，我们首先说明了泛化误差可以在称为“持久同源维度”（PHD）的概念中，与先前工作相比，我们的方法不需要关于培训动态的任何额外几何或统计假设。然后，通过利用最近建立的理论结果和TDA工具，我们开发了一种高效的算法来估计现代深度神经网络的规模中的博士，并进一步提供可视化工具，以帮助理解深度学习中的概括。我们的实验表明，所提出的方法可以有效地计算网络的内在尺寸，这些设置在各种设置中，这是预测泛化误差的。

尽管过度参数过多，但人们认为，通过随机梯度下降（SGD）训练的深度神经网络令人惊讶地概括了。基于预先指定的假设集的Rademacher复杂性，已经开发出不同的基于规范的泛化界限来解释这种现象。但是，最近的研究表明，这些界限可能会随着训练集的规模而增加，这与经验证据相反。在这项研究中，我们认为假设集SGD探索是轨迹依赖性的，因此可能在其Rademacher复杂性上提供更严格的结合。为此，我们通过假设发生的随机梯度噪声遵循分数的布朗运动，通过随机微分方程来表征SGD递归。然后，我们根据覆盖数字识别Rademacher的复杂性，并将其与优化轨迹的Hausdorff维度相关联。通过调用假设集稳定性，我们得出了针对深神经网络的新型概括。广泛的实验表明，它可以很好地预测几种常见的实验干预措施的概括差距。我们进一步表明，分数布朗运动的HURST参数比现有的概括指标（例如幂律指数和上blumenthal-getoor索引）更具信息性。

适当地表示数据库中的元素，以便可以准确匹配查询是信息检索的核心任务；最近，通过使用各种指标将数据库的图形结构嵌入层次结构的方式中来实现。持久性同源性是一种在拓扑数据分析中常用的工具，能够严格地以其层次结构和连接结构来表征数据库。计算各种嵌入式数据集上的持续同源性表明，一些常用的嵌入式无法保留连接性。我们表明，那些成功保留数据库拓扑的嵌入通过引入两种扩张不变的比较措施来捕获这种效果，尤其是解决了对流形的度量扭曲问题。我们为它们的计算提供了一种算法，该算法大大降低了现有方法的时间复杂性。我们使用这些措施来执行基于拓扑的信息检索的第一个实例，并证明了其在持久同源性的标准瓶颈距离上的性能提高。我们在不同数据品种的数据库中展示了我们的方法，包括文本，视频和医学图像。

尽管在机器学习中无处不在使用随机优化算法，但这些算法的确切影响及其对现实的非凸位设置中的概括性能的动态仍然知之甚少。尽管最近的工作揭示了随机优化中的概括与重尾行为之间的联系，但这项工作主要依赖于连续的近似值。对于原始离散时间迭代的严格处理尚未进行。为了弥合这一差距，我们提出了新颖的界限，将概括与在离散时间和连续时间设置中围绕局部最小值相关联的过渡内核的下尾指数。为了实现这一目标，我们首先证明了根据应用于优化器轨迹的著名的fernique-talagrand功能绑定的数据和算法依赖性的概括。然后，我们通过利用随机优化器的马尔可夫结构，并根据其（数据依赖性）过渡内核来得出界限来擅长于此结果。我们通过各种神经网络的经验结果来支持我们的理论，显示了概括误差与较低尾声之间的相关性。

无监督的特征学习通常会发现捕获复杂数据结构的低维嵌入。对于专家的任务可获得专家，将其纳入学习的代表可能会导致更高质量的嵌入品。例如，这可以帮助人们将数据嵌入给定的簇数，或者容纳阻止一个人直接在模型上衍生数据分布的噪声，然后可以更有效地学习。然而，缺乏将不同的先前拓扑知识集成到嵌入中的一般工具。虽然最近已经开发了可微分的拓扑层，但可以（重新）形状嵌入预定的拓扑模型，他们对代表学习有两个重要的局限性，我们在本文中解决了这一点。首先，目前建议的拓扑损失未能以自然的方式代表诸如群集和耀斑的简单模型。其次，这些损失忽略了对学习有用的数据中的所有原始结构（例如邻域）信息。我们通过引入一组新的拓扑损失来克服这些限制，并提出其用法作为拓扑正规规范数据嵌入来自然代表预定模型的一种方法。我们包括彻底的综合和实际数据实验，突出了这种方法的有用性和多功能性，其中应用范围从建模高维单胞胎数据进行建模到绘图嵌入。

在机器学习中调用多种假设需要了解歧管的几何形状和维度，理论决定了需要多少样本。但是，在应用程序数据中，采样可能不均匀，歧管属性是未知的，并且（可能）非纯化；这意味着社区必须适应本地结构。我们介绍了一种用于推断相似性内核提供数据的自适应邻域的算法。从本地保守的邻域（Gabriel）图开始，我们根据加权对应物进行迭代率稀疏。在每个步骤中，线性程序在全球范围内产生最小的社区，并且体积统计数据揭示了邻居离群值可能违反了歧管几何形状。我们将自适应邻域应用于非线性维度降低，地球计算和维度估计。与标准算法的比较，例如使用K-Nearest邻居，证明了它们的实用性。

持续的同源性（PH）是拓扑数据分析中最流行的方法之一。尽管PH已用于许多不同类型的应用程序中，但其成功背后的原因仍然难以捉摸。特别是，尚不知道哪种类别的问题最有效，或者在多大程度上可以检测几何或拓扑特征。这项工作的目的是确定pH在数据分析中比其他方法更好甚至更好的问题。我们考虑三个基本形状分析任务：从形状采样的2D和3D点云中检测孔数，曲率和凸度。实验表明，pH在这些任务中取得了成功，超过了几个基线，包括PointNet，这是一个精确地受到点云的属性启发的体系结构。此外，我们观察到，pH对于有限的计算资源和有限的培训数据以及分布外测试数据，包括各种数据转换和噪声，仍然有效。

最近有一项激烈的活动在嵌入非常高维和非线性数据结构的嵌入中，其中大部分在数据科学和机器学习文献中。我们分四部分调查这项活动。在第一部分中，我们涵盖了非线性方法，例如主曲线，多维缩放，局部线性方法，ISOMAP，基于图形的方法和扩散映射，基于内核的方法和随机投影。第二部分与拓扑嵌入方法有关，特别是将拓扑特性映射到持久图和映射器算法中。具有巨大增长的另一种类型的数据集是非常高维网络数据。第三部分中考虑的任务是如何将此类数据嵌入中等维度的向量空间中，以使数据适合传统技术，例如群集和分类技术。可以说，这是算法机器学习方法与统计建模（所谓的随机块建模）之间的对比度。在论文中，我们讨论了两种方法的利弊。调查的最后一部分涉及嵌入$ \ mathbb {r}^ 2 $，即可视化中。提出了三种方法：基于第一部分，第二和第三部分中的方法，$ t $ -sne，UMAP和大节。在两个模拟数据集上进行了说明和比较。一个由嘈杂的ranunculoid曲线组成的三胞胎，另一个由随机块模型和两种类型的节点产生的复杂性的网络组成。

我们研究了紧凑型歧管M上的回归问题。为了利用数据的基本几何形状和拓扑结构，回归任务是基于歧管的前几个特征函数执行的，该特征是歧管的laplace-beltrami操作员，通过拓扑处罚进行正规化。提出的惩罚基于本征函数或估计功能的子级集的拓扑。显示总体方法可在合成和真实数据集上对各种应用产生有希望的和竞争性能。我们还根据回归函数估计，其预测误差及其平滑度（从拓扑意义上）提供理论保证。综上所述，这些结果支持我们方法在目标函数“拓扑平滑”的情况下的相关性。

A common approach to modeling networks assigns each node to a position on a low-dimensional manifold where distance is inversely proportional to connection likelihood. More positive manifold curvature encourages more and tighter communities; negative curvature induces repulsion. We consistently estimate manifold type, dimension, and curvature from simply connected, complete Riemannian manifolds of constant curvature. We represent the graph as a noisy distance matrix based on the ties between cliques, then develop hypothesis tests to determine whether the observed distances could plausibly be embedded isometrically in each of the candidate geometries. We apply our approach to data-sets from economics and neuroscience.

估计数据分布的局部内在维度的大多数现有方法不能很好地扩展到高维数据。他们中的许多人依靠非参数最近的邻居方法，该方法受到维度的诅咒。我们试图通过提出一种新的问题来解决这一挑战：使用近似可能性（LIDL）的局部固有维度估计。我们的方法依赖于任意密度估计方法作为其子例程，因此通过利用最新的参数神经方法的进展来避免维度挑战，以进行可能性估计。我们仔细研究了所提出方法的经验特性，将其与我们的理论预测进行了比较，并表明LIDL在此问题的标准基准上产生竞争结果，并将其扩展到数千个维度。更重要的是，我们预计通过密度估计文献的持续进展，这种方法可以进一步改善。

在许多情况下，更简单的模型比更复杂的模型更可取，并且该模型复杂性的控制是机器学习中许多方法的目标，例如正则化，高参数调整和体系结构设计。在深度学习中，很难理解复杂性控制的潜在机制，因为许多传统措施并不适合深度神经网络。在这里，我们开发了几何复杂性的概念，该概念是使用离散的dirichlet能量计算的模型函数变异性的量度。使用理论论据和经验结果的结合，我们表明，许多常见的训练启发式方法，例如参数规范正规化，光谱规范正则化，平稳性正则化，隐式梯度正则化，噪声正则化和参数初始化的选择，都可以控制几何学复杂性，并提供一个统一的框架，以表征深度学习模型的行为。

从模型分析和机器学习中的比较到医疗数据集集合中的趋势发现，需要有效地比较和表示具有未知字段的数据集跨越各个字段。我们使用歧管学习来比较不同数据集的固有几何结构，通过比较其扩散操作员，对称阳性定义（SPD）矩阵，这些矩阵与连续的拉普拉斯 - 贝特拉米操作员与离散样品的近似相关。现有方法通常假设已知的数据对齐，并以点数的方式比较此类运算符。取而代之的是，我们利用SPD矩阵的Riemannian几何形状比较了这些操作员并根据log-euclidean Metric的下限定义了新的理论动机距离。我们的框架有助于比较具有不同大小，功能数量和测量方式的数据集中表达的数据歧管的比较。我们的日志 - 欧几里德签名（LES）距离恢复了有意义的结构差异，在各种应用领域的表现都优于竞争方法。

深度学习的概括分析通常假定训练会收敛到固定点。但是，最近的结果表明，实际上，用随机梯度下降优化的深神经网络的权重通常无限期振荡。为了减少理论和实践之间的这种差异，本文着重于神经网络的概括，其训练动力不一定会融合到固定点。我们的主要贡献是提出一个统计算法稳定性（SAS）的概念，该算法将经典算法稳定性扩展到非convergergent算法并研究其与泛化的联系。与传统的优化和学习理论观点相比，这种崇高的理论方法可导致新的见解。我们证明，学习算法的时间复杂行为的稳定性与其泛化有关，并在经验上证明了损失动力学如何为概括性能提供线索。我们的发现提供了证据表明，即使训练无限期继续并且权重也不会融合，即使训练持续进行训练，训练更好地概括”的网络也是如此。

现代的神经网络是著名的，但也高度多余和可压缩。在深度学习文献中存在许多修剪策略，这些策略产生了超过90％的稀疏子网，这些子网已全面训练，密集的体系结构，同时仍保持其原始精度。不过，在这些方法中，由于其概念上的简单性，易于实施和功效 - 迭代幅度修剪（IMP）在实践中占主导地位，并且实际上是在修剪社区中击败的基线。但是，关于为什么像IMP这样的简单方法完全有限的理论解释是很少且有限的。在这项工作中，我们利用持续的同源性的概念来了解IMP的运作，并表明它本质地鼓励保留那些保留受过训练的网络中拓扑信息的权重。随后，我们还提供有关在完美保留其零订单拓扑特征的同时可以修剪多少不同网络的界限，并为IMP的修改版本提供了相同的操作。

在我们与正在使用当今汽车系统的领域专家合作的经验中，我们遇到的一个常见问题是我们所说的“不切实际的期望” - 当用户通过嘈杂的数据获取过程面临非常具有挑战性的任务时，同时被期望实现机器学习（ML）的精度非常高。其中许多是从一开始就失败的。在传统的软件工程中，通过可行性研究解决了此问题，这是开发任何软件系统之前必不可少的一步。在本文中，我们介绍了Snoopy，目的是支持数据科学家和机器学习工程师在构建ML应用之前进行系统和理论上建立的可行性研究。我们通过估计基本任务的不可还原错误（也称为贝叶斯错误率（BER））来解决此问题，这源于用于训练或评估ML模型工件的数据集中的数据质量问题。我们设计了一个实用的贝叶斯误差估计器，该估计值与计算机视觉和自然语言处理中的6个数据集（具有不同级别的其他实际和合成噪声）上的基线可行性研究候选者进行了比较。此外，通过将我们的系统可行性研究和其他信号包括在迭代标签清洁过程中，我们在端到端实验中证明了用户如何能够节省大量的标签时间和货币努力。

我们研究了回归中神经网络（NNS）的模型不确定性的方法。为了隔离模型不确定性的效果，我们专注于稀缺训练数据的无噪声环境。我们介绍了关于任何方法都应满足的模型不确定性的五个重要的逃亡者。但是，我们发现，建立的基准通常无法可靠地捕获其中一些逃避者，即使是贝叶斯理论要求的基准。为了解决这个问题，我们介绍了一种新方法来捕获NNS的模型不确定性，我们称之为基于神经优化的模型不确定性（NOMU）。 NOMU的主要思想是设计一个由两个连接的子NN组成的网络体系结构，一个用于模型预测，一个用于模型不确定性，并使用精心设计的损耗函数进行训练。重要的是，我们的设计执行NOMU满足我们的五个Desiderata。由于其模块化体系结构，NOMU可以为任何给定（先前训练）NN提供模型不确定性，如果访问其培训数据。我们在各种回归任务和无嘈杂的贝叶斯优化（BO）中评估NOMU，并具有昂贵的评估。在回归中，NOMU至少和最先进的方法。在BO中，Nomu甚至胜过所有考虑的基准。

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。

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.

这项工作研究了基于梯度的算法的现有理论分析与训练深神经网络的实践之间的深刻断开。具体而言，我们提供了数值证据，表明在大规模神经网络训练（例如Imagenet + Resnet101和WT103 + Transformerxl模型）中，神经网络的权重不会融合到损失的梯度为零的固定点。然而，值得注意的是，我们观察到，即使权重不融合到固定点，最小化损耗函数的进展和训练损失稳定下来。受到这一观察的启发，我们提出了一种基于动力学系统的千古理论来解释它的新观点。我们没有研究权重演化，而是研究权重分布的演变。我们证明了权重分布到近似不变的度量，从而解释了训练损失如何稳定而无需重合到固定点。我们进一步讨论了这种观点如何更好地调整优化理论与机器学习实践中的经验观察。