在监督的学习中，获得大量全标记的培训数据很昂贵。我们表明，我们并不总是需要关于每个培训示例的完整标签信息来培训合格的分类器。具体而言，受统计原则的启发，我们提出了完全标记的培训集的统计量（摘要），该培训集几乎捕获了分类的所有相关信息，但同时更容易直接获得。我们称此统计数据为“足够标记的数据”，并证明其足够的和效率可以找到最佳的隐藏表示形式，可以在其中使用少量随机选择的单个随机选择的全标签示例，可以在其中训练有效的分类器头。可以直接从注释者获得足够标记的数据，而无需首先收集完全标记的数据。我们证明，与获得完全标记的数据相比，直接获得足够标记的数据要容易得多。此外，足够标记的数据自然更加安全，因为它存储了相对而不是绝对的信息。提供广泛的实验结果以支持我们的理论。

该教程论文调查端到端反向传播（E2EBP）的最佳替代方案 - 事实上的培训深度体系结构的标准。模块化训练是指严格的本地培训，而没有前进和向后通行证，即将深度建筑分为几个非重叠模块，并在没有任何端到端操作的情况下分别训练它们。在全局E2EBP和严格的局部模块化训练之间，有弱模块化的混合动力车执行训练，而无需向后传球。这些替代方案可以匹配或超过E2EBP在挑战数据集（例如ImageNet）上的性能，并且主要是因为它们比E2EBP具有实际优势，这将在此列举。特别是，它们允许在深度学习工作流程中具有更大的模块化和透明度，将深度学习与主流计算机科学工程的一致性一致，从而大大利用模块化以实现可扩展性。模块化训练还揭示了有关学习的新见解，并对其他重要的研究领域产生了进一步的影响。具体而言，它可以诱导自然和有效的解决方案，以解决一些重要的实际问题，例如数据效率和可转让性估计。

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。

自我监督学习中的最新作品通过依靠对比度学习范式来推动最先进的工作，该范式通过推动正面对或从同一班级中的类似示例来学习表示形式，同时将负面对截然不同。尽管取得了经验的成功，但理论基础是有限的 - 先前的分析假设鉴于同一类标签的正对有条件独立性，但是最近的经验应用使用了密切相关的正对（即同一图像的数据增强）。我们的工作分析了对比度学习，而无需在数据上使用增强图的新概念假设正对的有条件独立性。此图中的边缘连接相同数据的增强，而地面实际类别自然形成了连接的子图。我们提出了在人口增强图上执行光谱分解的损失，并且可以简洁地作为对神经净表示的对比学习目标。最小化此目标会导致在线性探针评估下具有可证明准确性的功能。通过标准的概括范围，在最大程度地减少训练对比度损失时，这些准确性也可以保证。从经验上讲，我们目标所学的功能可以匹配或胜过基准视觉数据集上的几个强基线。总的来说，这项工作为对比度学习提供了首次可证明的分析，在该学习中，线性探针评估的保证可以适用于现实的经验环境。

State-of-the-art results on image recognition tasks are achieved using over-parameterized learning algorithms that (nearly) perfectly fit the training set and are known to fit well even random labels. This tendency to memorize the labels of the training data is not explained by existing theoretical analyses. Memorization of the training data also presents significant privacy risks when the training data contains sensitive personal information and thus it is important to understand whether such memorization is necessary for accurate learning.We provide the first conceptual explanation and a theoretical model for this phenomenon. Specifically, we demonstrate that for natural data distributions memorization of labels is necessary for achieving closeto-optimal generalization error. Crucially, even labels of outliers and noisy labels need to be memorized. The model is motivated and supported by the results of several recent empirical works. In our model, data is sampled from a mixture of subpopulations and our results show that memorization is necessary whenever the distribution of subpopulation frequencies is long-tailed. Image and text data is known to be long-tailed and therefore our results establish a formal link between these empirical phenomena. Our results allow to quantify the cost of limiting memorization in learning and explain the disparate effects that privacy and model compression have on different subgroups.

可实现和不可知性的可读性的等价性是学习理论的基本现象。与PAC学习和回归等古典设置范围的变种，近期趋势，如对冲强劲和私人学习，我们仍然缺乏统一理论;等同性的传统证据往往是不同的，并且依赖于强大的模型特异性假设，如统一的收敛和样本压缩。在这项工作中，我们给出了第一个独立的框架，解释了可实现和不可知性的可读性的等价性：三行黑箱减少简化，统一，并在各种各样的环境中扩展了我们的理解。这包括没有已知的学报的模型，例如学习任意分布假设或一般损失，以及许多其他流行的设置，例如强大的学习，部分学习，公平学习和统计查询模型。更一般地，我们认为可实现和不可知的学习的等价性实际上是我们调用属性概括的更广泛现象的特殊情况：可以满足有限的学习算法（例如\噪声公差，隐私，稳定性）的任何理想性质假设类（可能在某些变化中）延伸到任何学习的假设类。

Recent empirical works have successfully used unlabeled data to learn feature representations that are broadly useful in downstream classification tasks. Several of these methods are reminiscent of the well-known word2vec embedding algorithm: leveraging availability of pairs of semantically "similar" data points and "negative samples," the learner forces the inner product of representations of similar pairs with each other to be higher on average than with negative samples. The current paper uses the term contrastive learning for such algorithms and presents a theoretical framework for analyzing them by introducing latent classes and hypothesizing that semantically similar points are sampled from the same latent class. This framework allows us to show provable guarantees on the performance of the learned representations on the average classification task that is comprised of a subset of the same set of latent classes. Our generalization bound also shows that learned representations can reduce (labeled) sample complexity on downstream tasks. We conduct controlled experiments in both the text and image domains to support the theory.

虽然神经网络在平均病例的性能方面对分类任务的成功显着，但它们通常无法在某些数据组上表现良好。这样的组信息可能是昂贵的;因此，即使在培训数据不可用的组标签不可用，较稳健性和公平的最新作品也提出了改善最差组性能的方法。然而，这些方法通常在培训时间使用集团信息的表现不佳。在这项工作中，我们假设没有组标签的较大数据集一起访问少量组标签。我们提出了一个简单的两步框架，利用这个部分组信息来提高最差组性能：训练模型以预测训练数据的丢失组标签，然后在强大的优化目标中使用这些预测的组标签。从理论上讲，我们在最差的组性能方面为我们的方法提供泛化界限，展示了泛化误差如何相对于培训点总数和具有组标签的培训点的数量。凭经验，我们的方法优于不使用群组信息的基线表达，即使只有1-33％的积分都有组标签。我们提供消融研究，以支持我们框架的稳健性和可扩展性。

标签稀缺，高维领域，如医疗保健为现代机器学习技术带来了挑战。为了克服缺乏标记数据所带来的困难，我们探讨了对纵向数据的自我监督预训练的“订单对比”方法。我们采样对时间片段对，切换它们的一半，并训练模型以预测给定对是否正确顺序。直观地，订购任务允许模型参加最小的时间可逆特征（例如，表明慢性疾病进展的特征）。相同的功能通常对兴趣的下游任务有用。为了量化这一点，我们研究了一个简单的理论设置，在这里，我们证明了具有订单对比预训练的代表下游误差的有限样本保证。凭经验，在合成和纵向医疗保健环境中，我们展示了令人令人满意的对比训练在监督学习和其他自我监督的预训练前基线的小数据制度中的秩序对比预训练的有效性。我们的结果表明，为特定类别的分布和下游任务设计的预培训方法可以提高自我监督学习的性能。

从积极和未标记的（PU）数据中学习是一种设置，学习者只能访问正面和未标记的样本，而没有关于负面示例的信息。这种PU环境在各种任务中非常重要，例如医学诊断，社交网络分析，金融市场分析和知识基础完成，这些任务也往往本质上是不平衡的，即大多数示例实际上是负面的。但是，大多数现有的PU学习方法仅考虑人工平衡的数据集，目前尚不清楚它们在不平衡和长尾数据分布的现实情况下的表现如何。本文提议通过强大而有效的自我监督预处理来应对这一挑战。但是，培训传统的自我监督学习方法使用高度不平衡的PU分布需要更好的重新重新制定。在本文中，我们提出\ textit {Impulses}，这是\ usewanced {im}平衡\下划线{p} osive \ unesive \ usepline {u} nlabeLed \ underline {l}的统一表示的学习框架{p}。 \下划线{s}削弱了debiase预训练。 Impulses使用大规模无监督学习的通用组合以及对比度损失和额外重新持续的PU损失的一般组合。我们在多个数据集上进行了不同的实验，以表明Impuls能够使先前最新的错误率减半，即使与先前给出的真实先验的方法相比。此外，即使在无关的数据集上进行了预处理，我们的方法也表现出对事先错误指定和卓越性能的鲁棒性。我们预计，这种稳健性和效率将使从业者更容易在其他感兴趣的PU数据集上获得出色的结果。源代码可在\ url {https://github.com/jschweisthal/impulses}中获得

多类神经网络是现代无监督的领域适应性中的常见工具，但是在适应性文献中缺乏针对其非均匀样品复杂性的适当理论描述。为了填补这一空白，我们为多类学习者提出了第一个Pac-Bayesian适应范围。我们还提出了我们考虑的多类分布差异的第一个近似技术，从而促进了界限的实际使用。对于依赖Gibbs预测因子的分歧，我们提出了其他PAC-湾适应界限，以消除对蒙特卡洛效率低下的需求。从经验上讲，我们测试了我们提出的近似技术的功效以及一些新型的设计概念，我们在范围中包括。最后，我们应用界限来分析使用神经网络的常见适应算法。

适应数据分布的结构（例如对称性和转型Imarerces）是机器学习中的重要挑战。通过架构设计或通过增强数据集，可以内在学习过程中内置Inhormces。两者都需要先验的了解对称性的确切性质。缺乏这种知识，从业者求助于昂贵且耗时的调整。为了解决这个问题，我们提出了一种新的方法来学习增强变换的分布，以新的\ emph {转换风险最小化}（trm）框架。除了预测模型之外，我们还优化了从假说空间中选择的转换。作为算法框架，我们的TRM方法是（1）有效（共同学习增强和模型，以\ emph {单训练环}），（2）模块化（使用\ emph {任何训练算法），以及（3）一般（处理\ \ ich {离散和连续}增强）。理论上与标准风险最小化的TRM比较，并在其泛化误差上给出PAC-Bayes上限。我们建议通过块组成的新参数化优化富裕的增强空间，导致新的\ EMPH {随机成分增强学习}（SCALE）算法。我们在CIFAR10 / 100，SVHN上使用先前的方法（快速自身自动化和武术器）进行实际比较规模。此外，我们表明规模可以在数据分布中正确地学习某些对称性（恢复旋转Mnist上的旋转），并且还可以改善学习模型的校准。

为了减轻二进制分类中培训有效二进制分类器的数据要求，已经提出了许多弱监督的学习设置。其中，当由于隐私，机密性或安全原因无法访问时，使用成对但不是尖标签的一些考虑。然而，作为一对标签表示两个数据点是否共享尖点标签，如果任一点同样可能是正的或负数，则不能容易地收集。因此，在本文中，我们提出了一种名为成对比较（PCOMP）分类的新颖设置，在那里我们只有一对未标记的数据，我们知道一个人比另一个更有可能是积极的。首先，我们提供了PCOMP数据生成过程，通过理论上保证导出了无偏的风险估计器（URE），并进一步提高了URE使用校正功能。其次，我们将PCOMP分类链接到嘈杂的标签学习，通过强加一致性正规化来开发渐进式，并改善它。最后，我们通过实验证明了我们的方法的有效性，这表明PCOMP是一种有价值的，实际上有用的成对监督类型，除了一对标签。

我们考虑无监督的域适应性（UDA），其中使用来自源域（例如照片）的标记数据，而来自目标域（例如草图）的未标记数据用于学习目标域的分类器。常规的UDA方法（例如，域对抗训练）学习域不变特征，以改善对目标域的概括。在本文中，我们表明，对比的预训练，它在未标记的源和目标数据上学习功能，然后在标记的源数据上进行微调，具有强大的UDA方法的竞争力。但是，我们发现对比前训练不会学习域不变特征，这与常规的UDA直觉不同。从理论上讲，我们证明了对比的预训练可以学习在跨域下微调但仍通过解开域和类信息来概括到目标域的特征。我们的结果表明，UDA不需要域的不变性。我们从经验上验证了基准视觉数据集的理论。

监督学习的关键假设是培训和测试数据遵循相同的概率分布。然而，这种基本假设在实践中并不总是满足，例如，由于不断变化的环境，样本选择偏差，隐私问题或高标签成本。转移学习（TL）放松这种假设，并允许我们在分销班次下学习。通常依赖于重要性加权的经典TL方法 - 基于根据重要性（即测试过度训练密度比率）的训练损失培训预测器。然而，由于现实世界机器学习任务变得越来越复杂，高维和动态，探讨了新的新方法，以应对这些挑战最近。在本文中，在介绍基于重要性加权的TL基础之后，我们根据关节和动态重要预测估计审查最近的进步。此外，我们介绍一种因果机制转移方法，该方法包含T1中的因果结构。最后，我们讨论了TL研究的未来观点。

尽管自我监督学习（SSL）方法取得了经验成功，但尚不清楚其表示的哪些特征导致了高下游精度。在这项工作中，我们表征了SSL表示应该满足的属性。具体而言，我们证明了必要和充分的条件，因此，对于给出的数据增强的任何任务，在该表示形式上训练的所需探针（例如，线性或MLP）具有完美的准确性。这些要求导致一个统一的概念框架，用于改善现有的SSL方法并得出新方法。对于对比度学习，我们的框架规定了对以前的方法（例如使用不对称投影头）的简单但重大改进。对于非对比度学习，我们使用框架来得出一个简单新颖的目标。我们所得的SSL算法在标准基准测试上的表现优于基线，包括Imagenet线性探测的SHAV+多螺旋桨。

The ability to quickly and accurately identify covariate shift at test time is a critical and often overlooked component of safe machine learning systems deployed in high-risk domains. While methods exist for detecting when predictions should not be made on out-of-distribution test examples, identifying distributional level differences between training and test time can help determine when a model should be removed from the deployment setting and retrained. In this work, we define harmful covariate shift (HCS) as a change in distribution that may weaken the generalization of a predictive model. To detect HCS, we use the discordance between an ensemble of classifiers trained to agree on training data and disagree on test data. We derive a loss function for training this ensemble and show that the disagreement rate and entropy represent powerful discriminative statistics for HCS. Empirically, we demonstrate the ability of our method to detect harmful covariate shift with statistical certainty on a variety of high-dimensional datasets. Across numerous domains and modalities, we show state-of-the-art performance compared to existing methods, particularly when the number of observed test samples is small.

近年来，有监督的深度学习取得了巨大的成功，从大量完全标记的数据中，对预测模型进行了培训。但是，实际上，标记这样的大数据可能非常昂贵，甚至出于隐私原因甚至可能是不可能的。因此，在本文中，我们旨在学习一个无需任何类标签的准确分类器。更具体地说，我们考虑了多组未标记的数据及其类先验的情况，即每个类别的比例。在此问题设置下，我们首先得出了对分类风险的无偏估计量，可以从给定未标记的集合中估算，并理论上分析了学习分类器的概括误差。然后，我们发现获得的分类器往往会导致过度拟合，因为其经验风险在训练过程中呈负面。为了防止过度拟合，我们进一步提出了一个部分风险正规化，该风险正规化在某些级别上保持了未标记的数据集和类方面的部分风险。实验表明，我们的方法有效地减轻了过度拟合和优于从多个未标记集中学习的最先进方法。

标签排名（LR）对应于学习一个假设的问题，以通过有限一组标签将功能映射到排名。我们采用了对LR的非参数回归方法，并获得了这一基本实际问题的理论绩效保障。我们在无噪声和嘈杂的非参数回归设置中介绍了一个用于标签排名的生成模型，并为两种情况下提供学习算法的示例复杂性界限。在无噪声环境中，我们研究了全排序的LR问题，并在高维制度中使用决策树和随机林提供计算有效的算法。在嘈杂的环境中，我们考虑使用统计观点的不完整和部分排名的LR更通用的情况，并使用多种多组分类的一种方法获得样本复杂性范围。最后，我们与实验补充了我们的理论贡献，旨在了解输入回归噪声如何影响观察到的输出。

我们理论上和经验地证明，对抗性鲁棒性可以显着受益于半体验学习。从理论上讲，我们重新审视了Schmidt等人的简单高斯模型。这显示了标准和稳健分类之间的示例复杂性差距。我们证明了未标记的数据桥接这种差距：简单的半体验学习程序（自我训练）使用相同数量的达到高标准精度所需的标签实现高的强大精度。经验上，我们增强了CiFar-10，使用50万微小的图像，使用了8000万微小的图像，并使用强大的自我训练来优于最先进的鲁棒精度（i）$ \ ell_ infty $鲁棒性通过对抗培训和（ii）认证$ \ ell_2 $和$ \ ell_ \ infty $鲁棒性通过随机平滑的几个强大的攻击。在SVHN上，添加DataSet自己的额外训练集，删除的标签提供了4到10个点的增益，在使用额外标签的1点之内。