The fundamental learning theory behind neural networks remains largely open. What classes of functions can neural networks actually learn? Why doesn't the trained network overfit when it is overparameterized?In this work, we prove that overparameterized neural networks can learn some notable concept classes, including two and three-layer networks with fewer parameters and smooth activations. Moreover, the learning can be simply done by SGD (stochastic gradient descent) or its variants in polynomial time using polynomially many samples. The sample complexity can also be almost independent of the number of parameters in the network.On the technique side, our analysis goes beyond the so-called NTK (neural tangent kernel) linearization of neural networks in prior works. We establish a new notion of quadratic approximation of the neural network (that can be viewed as a second-order variant of NTK), and connect it to the SGD theory of escaping saddle points.

尽管使用对抗性训练捍卫深度学习模型免受对抗性扰动的经验成功，但到目前为止，仍然不清楚对抗性扰动的存在背后的原则是什么，而对抗性培训对神经网络进行了什么来消除它们。在本文中，我们提出了一个称为特征纯化的原则，在其中，我们表明存在对抗性示例的原因之一是在神经网络的训练过程中，在隐藏的重量中积累了某些小型密集混合物；更重要的是，对抗训练的目标之一是去除此类混合物以净化隐藏的重量。我们介绍了CIFAR-10数据集上的两个实验，以说明这一原理，并且一个理论上的结果证明，对于某些自然分类任务，使用随机初始初始化的梯度下降训练具有RELU激活的两层神经网络确实满足了这一原理。从技术上讲，我们给出了我们最大程度的了解，第一个结果证明，以下两个可以同时保持使用RELU激活的神经网络。 （1）对原始数据的训练确实对某些半径的小对抗扰动确实不舒适。 （2）即使使用经验性扰动算法（例如FGM），实际上也可以证明对对抗相同半径的任何扰动也可以证明具有强大的良好性。最后，我们还证明了复杂性的下限，表明该网络的低复杂性模型，例如线性分类器，低度多项式或什至是神经切线核，无论使用哪种算法，都无法防御相同半径的扰动训练他们。

图卷积网络（GCN）最近在学习图形结构数据方面取得了巨大的经验成功。为了解决由于相邻特征的递归嵌入而导致的可伸缩性问题，已经提出了图形拓扑抽样来降低训练GCN的记忆和计算成本，并且在许多经验研究中，它与没有拓扑采样的人达到了可比的测试性能。据我们所知，本文为半监督节点分类的训练（最多）三层GCN提供了图形拓扑采样的第一个理论理由。我们正式表征了图形拓扑抽样的一些足够条件，以使GCN训练导致概括误差减少。此外，我们的方法可以解决跨层的重量的非凸相互作用，这在GCN的现有理论分析中尚未探索。本文表征了图结构和拓扑抽样对概括性能和样本复杂性的影响，理论发现也通过数值实验证明了合理性。

Deep neural networks (DNNs) have demonstrated dominating performance in many fields; since AlexNet, networks used in practice are going wider and deeper. On the theoretical side, a long line of works have been focusing on why we can train neural networks when there is only one hidden layer. The theory of multi-layer networks remains unsettled. In this work, we prove simple algorithms such as stochastic gradient descent (SGD) can find global minima on the training objective of DNNs in polynomial time. We only make two assumptions: the inputs do not degenerate and the network is over-parameterized. The latter means the number of hidden neurons is sufficiently large: polynomial in L, the number of DNN layers and in n, the number of training samples. As concrete examples, starting from randomly initialized weights, we show that SGD attains 100% training accuracy in classification tasks, or minimizes regression loss in linear convergence speed ε ∝ e −Ω(T ) , with running time polynomial in n and L. Our theory applies to the widely-used but non-smooth ReLU activation, and to any smooth and possibly non-convex loss functions. In terms of network architectures, our theory at least applies to fully-connected neural networks, convolutional neural networks (CNN), and residual neural networks (ResNet).* Equal contribution . Full version and future updates are available at https://arxiv.org/abs/1811.03962.This paper is a follow up to the recurrent neural network (RNN) paper (Allen-Zhu et al., 2018b) by the same set of authors. Most of the techniques used in this paper were already discovered in the RNN paper, and this paper can be viewed as a simplification (or to some extent a special case) of the RNN setting in order to reach out to a wider audience. We compare the difference and mention our additional contribution in Section 1.2.

我们研究了学习单个神经元的基本问题，即$ \ mathbf {x} \ mapsto \ sigma（\ mathbf {w} \ cdot \ cdot \ mathbf {x}）$单调激活$ \ sigma $ \ sigma： \ mathbb {r} \ mapsto \ mathbb {r} $，相对于$ l_2^2 $ -loss，在存在对抗标签噪声的情况下。具体来说，我们将在$（\ mathbf {x}，y）\ in \ mathbb {r}^d \ times \ times \ mathbb {r} $上给我们从$（\ mathbf {x}，y）\ on a发行$ d $中给我们标记的示例。 }^\ ast \ in \ mathbb {r}^d $ achieving $ f（\ mathbf {w}^\ ast）= \ epsilon $，其中$ f（\ mathbf {w}）= \ m马理bf {e} （\ mathbf {x}，y）\ sim d} [（\ sigma（\ mathbf {w} \ cdot \ mathbf {x}） - y）^2] $。学习者的目标是输出假设向量$ \ mathbf {w} $，以使$ f（\ m athbb {w}）= c \，\ epsilon $具有高概率，其中$ c> 1 $是通用常数。作为我们的主要贡献，我们为广泛的分布（包括对数 - 循环分布）和激活功能提供有效的恒定因素近似学习者。具体地说，对于各向同性对数凸出分布的类别，我们获得以下重要的推论：对于逻辑激活，我们获得了第一个多项式时间常数因子近似（即使在高斯分布下）。我们的算法具有样品复杂性$ \ widetilde {o}（d/\ epsilon）$，这在多毛体因子中很紧。对于relu激活，我们给出了一个有效的算法，带有样品复杂性$ \ tilde {o}（d \，\ polylog（1/\ epsilon））$。在我们工作之前，最著名的常数因子近似学习者具有样本复杂性$ \ tilde {\ omega}（d/\ epsilon）$。在这两个设置中，我们的算法很简单，在（正规）$ L_2^2 $ -LOSS上执行梯度散发。我们的算法的正确性取决于我们确定的新结构结果，表明（本质上是基本上）基础非凸损失的固定点大约是最佳的。

Neural networks have many successful applications, while much less theoretical understanding has been gained. Towards bridging this gap, we study the problem of learning a two-layer overparameterized ReLU neural network for multi-class classification via stochastic gradient descent (SGD) from random initialization. In the overparameterized setting, when the data comes from mixtures of wellseparated distributions, we prove that SGD learns a network with a small generalization error, albeit the network has enough capacity to fit arbitrary labels. Furthermore, the analysis provides interesting insights into several aspects of learning neural networks and can be verified based on empirical studies on synthetic data and on the MNIST dataset.

现代神经网络通常以强烈的过度构造状态运行：它们包含许多参数，即使实际标签被纯粹随机的标签代替，它们也可以插入训练集。尽管如此，他们在看不见的数据上达到了良好的预测错误：插值训练集并不会导致巨大的概括错误。此外，过度散色化似乎是有益的，因为它简化了优化景观。在这里，我们在神经切线（NT）制度中的两层神经网络的背景下研究这些现象。我们考虑了一个简单的数据模型，以及各向同性协变量的矢量，$ d $尺寸和$ n $隐藏的神经元。我们假设样本量$ n $和尺寸$ d $都很大，并且它们在多项式上相关。我们的第一个主要结果是对过份术的经验NT内核的特征结构的特征。这种表征意味着必然的表明，经验NT内核的最低特征值在$ ND \ gg n $后立即从零界限，因此网络可以在同一制度中精确插值任意标签。我们的第二个主要结果是对NT Ridge回归的概括误差的表征，包括特殊情况，最小值-ULL_2 $ NORD插值。我们证明，一旦$ nd \ gg n $，测试误差就会被内核岭回归之一相对于无限宽度内核而近似。多项式脊回归的误差依次近似后者，从而通过与激活函数的高度组件相关的“自我诱导的”项增加了正则化参数。多项式程度取决于样本量和尺寸（尤其是$ \ log n/\ log d $）。

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。

成功的深度学习模型往往涉及培训具有比训练样本数量更多的参数的神经网络架构。近年来已经广泛研究了这种超分子化的模型，并且通过双下降现象和通过优化景观的结构特性，从统计的角度和计算视角都建立了过分统计化的优点。尽管在过上分层的制度中深入学习架构的显着成功，但也众所周知，这些模型对其投入中的小对抗扰动感到高度脆弱。即使在普遍培训的情况下，它们在扰动输入（鲁棒泛化）上的性能也会比良性输入（标准概括）的最佳可达到的性能更糟糕。因此，必须了解如何从根本上影响稳健性的情况下如何影响鲁棒性。在本文中，我们将通过专注于随机特征回归模型（具有随机第一层权重的两层神经网络）来提供超分度化对鲁棒性的作用的精确表征。我们考虑一个制度，其中样本量，输入维度和参数的数量彼此成比例地生长，并且当模型发生前列地训练时，可以为鲁棒泛化误差导出渐近精确的公式。我们的发达理论揭示了过分统计化对鲁棒性的非竞争效果，表明对于普遍训练的随机特征模型，高度公正化可能会损害鲁棒泛化。

深度分离结果提出了对深度神经网络过较浅的架构的好处的理论解释，建立前者具有卓越的近似能力。然而，没有已知的结果，其中更深的架构利用这种优势成为可提供的优化保证。我们证明，当数据由具有满足某些温和假设的径向对称的分布产生的数据时，梯度下降可以使用具有两层S形激活的深度2神经网络有效地学习球指示器功能，并且隐藏层固定在一起训练。由于众所周知，当使用用单层非线性的深度2网络（Safran和Shamir，2017）使用深度2网络时，球指示器难以近似于一定的重型分配，这建立了我们最好的知识，基于第一优化的分离结果，其中近似架构的近似效益在实践中可怕的。我们的证明技术依赖于随机特征方法，该方法减少了用单个神经元学习的问题，其中新工具需要在数据分布重尾时显示梯度下降的收敛。

训练神经网络的一种常见方法是将所有权重初始化为独立的高斯向量。我们观察到，通过将权重初始化为独立对，每对由两个相同的高斯向量组成，我们可以显着改善收敛分析。虽然已经研究了类似的技术来进行随机输入[Daniely，Neurips 2020]，但尚未使用任意输入进行分析。使用此技术，我们展示了如何显着减少两层relu网络所需的神经元数量，均在逻辑损失的参数化设置不足的情况下，大约$ \ gamma^{ - 8} $ [Ji and telgarsky，ICLR， 2020]至$ \ gamma^{ - 2} $，其中$ \ gamma $表示带有神经切线内核的分离边距，以及在与平方损失的过度参数化设置中，从大约$ n^4 $ [song [song]和Yang，2019年]至$ n^2 $，隐含地改善了[Brand，Peng，Song和Weinstein，ITCS 2021]的近期运行时间。对于参数不足的设置，我们还证明了在先前工作时改善的新下限，并且在某些假设下是最好的。

我们在高斯分布下使用Massart噪声与Massart噪声进行PAC学习半个空间的问题。在Massart模型中，允许对手将每个点$ \ mathbf {x} $的标签与未知概率$ \ eta（\ mathbf {x}）\ leq \ eta $，用于某些参数$ \ eta \ [0,1 / 2] $。目标是找到一个假设$ \ mathrm {opt} + \ epsilon $的错误分类错误，其中$ \ mathrm {opt} $是目标半空间的错误。此前已经在两个假设下研究了这个问题：（i）目标半空间是同质的（即，分离超平面通过原点），并且（ii）参数$ \ eta $严格小于$ 1/2 $。在此工作之前，当除去这些假设中的任何一个时，不知道非增长的界限。我们研究了一般问题并建立以下内容：对于$ \ eta <1/2 $，我们为一般半个空间提供了一个学习算法，采用样本和计算复杂度$ d ^ {o_ {\ eta}（\ log（1 / \ gamma） ）））}} \ mathrm {poly}（1 / \ epsilon）$，其中$ \ gamma = \ max \ {\ epsilon，\ min \ {\ mathbf {pr} [f（\ mathbf {x}）= 1]， \ mathbf {pr} [f（\ mathbf {x}）= -1] \} \} $是目标半空间$ f $的偏差。现有的高效算法只能处理$ \ gamma = 1/2 $的特殊情况。有趣的是，我们建立了$ d ^ {\ oomega（\ log（\ log（\ log（\ log））}}的质量匹配的下限，而是任何统计查询（SQ）算法的复杂性。对于$ \ eta = 1/2 $，我们为一般半空间提供了一个学习算法，具有样本和计算复杂度$ o_ \ epsilon（1）d ^ {o（\ log（1 / epsilon））} $。即使对于均匀半空间的子类，这个结果也是新的;均匀Massart半个空间的现有算法为$ \ eta = 1/2 $提供可持续的保证。我们与D ^ {\ omega（\ log（\ log（\ log（\ log（\ epsilon））} $的近似匹配的sq下限补充了我们的上限，这甚至可以为同类半空间的特殊情况而保持。

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。

我们考虑培训多层过参数化神经网络的问题，以最大限度地减少损失函数引起的经验风险。在过度参数化的典型设置中，网络宽度$ M $远大于数据维度$ D $和培训数量$ N $（$ m = \ mathrm {poly}（n，d）$），其中诱导禁止的大量矩阵$ w \ in \ mathbb {r} ^ {m \ times m} $每层。天真地，一个人必须支付$ O（m ^ 2）$时间读取权重矩阵并评估前向和后向计算中的神经网络功能。在这项工作中，我们展示了如何降低每个迭代的培训成本，具体而言，我们提出了一个仅在初始化阶段使用M ^ 2美元的框架，并且在$ M $的情况下实现了每次迭代的真正子种化成本。 ，$ m ^ {2- \ oomga（1）} $次迭代。为了获得此结果，我们利用各种技术，包括偏移的基于Relu的稀释器，懒惰的低级维护数据结构，快速矩阵矩阵乘法，张量的草图技术和预处理。

近似消息传递（AMP）是解决高维统计问题的有效迭代范式。但是，当迭代次数超过$ o \ big（\ frac {\ log n} {\ log log \ log \ log n} \时big）$（带有$ n $问题维度）。为了解决这一不足，本文开发了一个非吸附框架，用于理解峰值矩阵估计中的AMP。基于AMP更新的新分解和可控的残差项，我们布置了一个分析配方，以表征在存在独立初始化的情况下AMP的有限样本行为，该过程被进一步概括以进行光谱初始化。作为提出的分析配方的两个具体后果：（i）求解$ \ mathbb {z} _2 $同步时，我们预测了频谱初始化AMP的行为，最高为$ o \ big（\ frac {n} {\ mathrm {\ mathrm { poly} \ log n} \ big）$迭代，表明该算法成功而无需随后的细化阶段（如最近由\ citet {celentano2021local}推测）; （ii）我们表征了稀疏PCA中AMP的非反应性行为（在尖刺的Wigner模型中），以广泛的信噪比。

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。

古典统计学习理论表示，拟合太多参数导致过度舒服和性能差。尽管大量参数矛盾，但是现代深度神经网络概括了这一发现，并构成了解释深度学习成功的主要未解决的问题。随机梯度下降（SGD）引起的隐式正规被认为是重要的，但其特定原则仍然是未知的。在这项工作中，我们研究了当地最小值周围的能量景观的局部几何学如何影响SGD的统计特性，具有高斯梯度噪声。我们争辩说，在合理的假设下，局部几何形状力强制SGD保持接近低维子空间，这会引起隐式正则化并导致深神经网络的泛化误差界定更严格的界限。为了获得神经网络的泛化误差界限，我们首先引入局部最小值周围的停滞迹象，并施加人口风险的局部基本凸性财产。在这些条件下，推导出SGD的下界，以保留在这些停滞套件中。如果发生停滞，我们会导出涉及权重矩阵的光谱规范的深神经网络的泛化误差的界限，但不是网络参数的数量。从技术上讲，我们的证据基于控制SGD中的参数值的变化以及基于局部最小值周围的合适邻域的熵迭代的参数值和局部均匀收敛。我们的工作试图通过统一收敛更好地连接非凸优化和泛化分析。

了解随机梯度下降（SGD）的隐式偏见是深度学习的关键挑战之一，尤其是对于过度透明的模型，损失功能的局部最小化$ l $可以形成多种多样的模型。从直觉上讲，SGD $ \ eta $的学习率很小，SGD跟踪梯度下降（GD），直到它接近这种歧管为止，梯度噪声阻止了进一步的收敛。在这样的政权中，Blanc等人。 （2020）证明，带有标签噪声的SGD局部降低了常规术语，损失的清晰度，$ \ mathrm {tr} [\ nabla^2 l] $。当前的论文通过调整Katzenberger（1991）的想法提供了一个总体框架。它原则上允许使用随机微分方程（SDE）描述参数的限制动力学的SGD围绕此歧管的正规化效应（即“隐式偏见”）的正则化效应，这是由损失共同确定的功能和噪声协方差。这产生了一些新的结果：（1）与Blanc等人的局部分析相比，对$ \ eta^{ - 2} $ steps有效的隐性偏差进行了全局分析。 （2020）仅适用于$ \ eta^{ - 1.6} $ steps和（2）允许任意噪声协方差。作为一个应用程序，我们以任意大的初始化显示，标签噪声SGD始终可以逃脱内核制度，并且仅需要$ o（\ kappa \ ln d）$样本用于学习$ \ kappa $ -sparse $ -sparse yroverparame parametrized linearized Linear Modal in $ \ Mathbb {r}^d $（Woodworth等，2020），而GD在内核制度中初始化的GD需要$ \ omega（d）$样本。该上限是最小值的最佳，并改善了先前的$ \ tilde {o}（\ kappa^2）$上限（Haochen等，2020）。

我们研究了用于线性回归的主动采样算法，该算法仅旨在查询目标向量$ b \ in \ mathbb {r} ^ n $的少量条目，并将近最低限度输出到$ \ min_ {x \ In \ mathbb {r} ^ d} \ | ax-b \ | $，其中$ a \ in \ mathbb {r} ^ {n \ times d} $是一个设计矩阵和$ \ | \ cdot \ | $是一些损失函数。对于$ \ ell_p $ norm回归的任何$ 0 <p <\ idty $，我们提供了一种基于Lewis权重采样的算法，其使用只需$ \ tilde {o}输出$（1+ \ epsilon）$近似解决方案（d ^ {\ max（1，{p / 2}）} / \ mathrm {poly}（\ epsilon））$查询到$ b $。我们表明，这一依赖于$ D $是最佳的，直到对数因素。我们的结果解决了陈和Derezi的最近开放问题，陈和Derezi \'{n} Ski，他们为$ \ ell_1 $ norm提供了附近的最佳界限，以及$ p \中的$ \ ell_p $回归的次优界限（1,2） $。我们还提供了$ O的第一个总灵敏度上限（D ^ {\ max \ {1，p / 2 \} \ log ^ 2 n）$以满足最多的$ p $多项式增长。这改善了Tukan，Maalouf和Feldman的最新结果。通过将此与我们的技术组合起来的$ \ ell_p $回归结果，我们获得了一个使$ \ tilde o的活动回归算法（d ^ {1+ \ max \ {1，p / 2 \}} / \ mathrm {poly}。 （\ epsilon））$疑问，回答陈和德里兹的另一个打开问题{n}滑雪。对于Huber损失的重要特殊情况，我们进一步改善了我们对$ \ tilde o的主动样本复杂性的绑定（d ^ {（1+ \ sqrt2）/ 2} / \ epsilon ^ c）$和非活跃$ \ tilde o的样本复杂性（d ^ {4-2 \ sqrt 2} / \ epsilon ^ c）$，由于克拉克森和伍德拉夫而改善了Huber回归的以前的D ^ 4 $。我们的敏感性界限具有进一步的影响，使用灵敏度采样改善了各种先前的结果，包括orlicz规范子空间嵌入和鲁棒子空间近似。最后，我们的主动采样结果为每种$ \ ell_p $ norm提供的第一个Sublinear时间算法。

Consider the multivariate nonparametric regression model. It is shown that estimators based on sparsely connected deep neural networks with ReLU activation function and properly chosen network architecture achieve the minimax rates of convergence (up to log nfactors) under a general composition assumption on the regression function. The framework includes many well-studied structural constraints such as (generalized) additive models. While there is a lot of flexibility in the network architecture, the tuning parameter is the sparsity of the network. Specifically, we consider large networks with number of potential network parameters exceeding the sample size. The analysis gives some insights into why multilayer feedforward neural networks perform well in practice. Interestingly, for ReLU activation function the depth (number of layers) of the neural network architectures plays an important role and our theory suggests that for nonparametric regression, scaling the network depth with the sample size is natural. It is also shown that under the composition assumption wavelet estimators can only achieve suboptimal rates.