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.

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。

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。

过度分辨率是指选择神经网络的宽度，使得学习算法可以在非凸训练中可被估计零损失的重要现象。现有理论建立了各种初始化策略，培训修改和宽度缩放等全局融合。特别地，最先进的结果要求宽度以二次逐步缩放，并在实践中使用的标准初始化策略下进行培训数据的数量，以获得最佳泛化性能。相比之下，最新的结果可以获得线性缩放，需要导致导致“懒惰训练”的初始化，或者仅训练单层。在这项工作中，我们提供了一个分析框架，使我们能够采用标准的初始化策略，可能避免懒惰的训练，并在基本浅色神经网络中同时培训所有层，同时获得网络宽度的理想子标缩放。我们通过Polyak-Lojasiewicz条件，平滑度和数据标准假设实现了Desiderata，并使用随机矩阵理论的工具。

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。

良性过度拟合，即插值模型在存在嘈杂数据的情况下很好地推广的现象，首先是在接受梯度下降训练的神经网络模型中观察到的。为了更好地理解这一经验观察，我们考虑了通过梯度下降训练的两层神经网络的概括误差，后者是随机初始化后的逻辑损失。我们假设数据来自分离良好的集体条件对数符合分布，并允许训练标签的持续部分被对手损坏。我们表明，在这种情况下，神经网络表现出良性过度拟合：它们可以驱动到零训练错误，完美拟合所有嘈杂的训练标签，并同时达到最小值最佳测试错误。与以前需要线性或基于内核预测的良性过度拟合的工作相反，我们的分析在模型和学习动力学基本上是非线性的环境中。

过度分化的深网络的泛化神秘具有有动力的努力，了解梯度下降（GD）如何收敛到概括井的低损耗解决方案。现实生活中的神经网络从小随机值初始化，并以分类的“懒惰”或“懒惰”或“NTK”的训练训练，分析更成功，以及最近的结果序列（Lyu和Li ，2020年; Chizat和Bach，2020; Ji和Telgarsky，2020）提供了理论证据，即GD可以收敛到“Max-ramin”解决方案，其零损失可能呈现良好。但是，仅在某些环境中证明了余量的全球最优性，其中神经网络无限或呈指数级宽。目前的纸张能够为具有梯度流动训练的两层泄漏的Relu网，无论宽度如何，都能为具有梯度流动的双层泄漏的Relu网建立这种全局最优性。分析还为最近的经验研究结果（Kalimeris等，2019）给出了一些理论上的理由，就GD的所谓简单的偏见为线性或其他“简单”的解决方案，特别是在训练中。在悲观方面，该论文表明这种结果是脆弱的。简单的数据操作可以使梯度流量会聚到具有次优裕度的线性分类器。

在这项工作中，我们在两层relu网络中提供了特征学习过程的表征，这些网络在随机初始化后通过梯度下降对逻辑损失进行了训练。我们考虑使用输入功能的XOR样函数生成的二进制标签的数据。我们允许不断的培训标签被对手破坏。我们表明，尽管线性分类器并不比随机猜测我们考虑的分布更好，但通过梯度下降训练的两层relu网络达到了接近标签噪声速率的概括误差。我们开发了一种新颖的证明技术，该技术表明，在初始化时，绝大多数神经元充当随机特征，仅与有用特征无关紧要，而梯度下降动力学则“放大”这些弱，随机的特征到强，有用的特征。

具有动量的随机梯度下降（SGD）被广泛用于训练现代深度学习体系结构。虽然可以很好地理解使用动量可以导致在各种环境中更快的收敛速率，但还观察到动量会产生更高的概括。先前的工作认为，动量在训练过程中稳定了SGD噪声，这会导致更高的概括。在本文中，我们采用了另一种观点，并首先在经验上表明，与梯度下降（GD）相比，具有动量（GD+M）的梯度下降在某些深度学习问题中显着改善了概括。从这个观察结果，我们正式研究了动量如何改善概括。我们设计了一个二进制分类设置，在该设置中，当两种算法都类似地初始化时，经过GD+M训练的单个隐藏层（过度参数化）卷积神经网络比使用GD训练的同一网络更好地概括了。我们分析中的关键见解是，动量在示例共享某些功能但边距不同的数据集中是有益的。与记住少量数据数据的GD相反，GD+M仍然通过其历史梯度来了解这些数据中的功能。最后，我们从经验上验证了我们的理论发现。

Deep nets generalize well despite having more parameters than the number of training samples. Recent works try to give an explanation using PAC-Bayes and Margin-based analyses, but do not as yet result in sample complexity bounds better than naive parameter counting. The current paper shows generalization bounds that're orders of magnitude better in practice. These rely upon new succinct reparametrizations of the trained net -a compression that is explicit and efficient. These yield generalization bounds via a simple compression-based framework introduced here. Our results also provide some theoretical justification for widespread empirical success in compressing deep nets.Analysis of correctness of our compression relies upon some newly identified "noise stability"properties of trained deep nets, which are also experimentally verified. The study of these properties and resulting generalization bounds are also extended to convolutional nets, which had eluded earlier attempts on proving generalization.

在过分层化的模型中，随机梯度下降（SGD）中的噪声隐含地规则地规则地规范优化轨迹并确定哪个局部最小SGD收敛到。通过实证研究的推动，表明利用嘈杂标签的培训改善了泛化，我们研究了SGD与标签噪声的隐式正则化效果。我们展示了标签噪声的SGD收敛到正规化损失$ l（\θ）+ \ lambda r（\ theta）$的静止点，其中$ l（\ theta）$是培训损失，$ \ lambda $有效的正则化参数，具体取决于步骤尺寸，标签噪声的强度和批量大小，以及$ r（\ theta）$是一个惩罚剧本最小化器的显式规范器。我们的分析揭示了大型学习率的额外正则化效果，超出了线性扩展规则，这些规则惩罚了Hessian的大型特征值，而不是小小的。我们还证明了与一般损失职能，SGD的分类分类，以及具有一般噪声协方差的SGD，大大加强了Blanc等人的前后工作。全球融合和大型学习率和哈奇等人。一般模型。

现代神经网络通常具有很大的表现力，并且可以接受训练以使培训数据过高，同时仍能达到良好的测试性能。这种现象被称为“良性过度拟合”。最近，从理论角度出现了一系列研究“良性过度拟合”的作品。但是，它们仅限于线性模型或内核/随机特征模型，并且仍然缺乏关于何时以及如何在神经网络中发生过度拟合的理论理解。在本文中，我们研究了训练两层卷积神经网络（CNN）的良性过度拟合现象。我们表明，当信噪比满足一定条件时，通过梯度下降训练的两层CNN可以实现任意小的训练和测试损失。另一方面，当这种情况无法成立时，过度拟合就会有害，并且获得的CNN只能实现恒定的测试损失。这些共同证明了由信噪比驱动的良性过度拟合和有害过度拟合之间的急剧过渡。据我们所知，这是第一部精确地表征良性过度拟合在训练卷积神经网络中的条件的工作。

This paper shows that a perturbed form of gradient descent converges to a second-order stationary point in a number iterations which depends only poly-logarithmically on dimension (i.e., it is almost "dimension-free"). The convergence rate of this procedure matches the wellknown convergence rate of gradient descent to first-order stationary points, up to log factors. When all saddle points are non-degenerate, all second-order stationary points are local minima, and our result thus shows that perturbed gradient descent can escape saddle points almost for free.Our results can be directly applied to many machine learning applications, including deep learning. As a particular concrete example of such an application, we show that our results can be used directly to establish sharp global convergence rates for matrix factorization. Our results rely on a novel characterization of the geometry around saddle points, which may be of independent interest to the non-convex optimization community.

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。

本文识别数据分布的结构属性，使得深神经网络能够分层学习。我们定义了在布尔超立方体上的功能的“楼梯”属性，该功能在沿着增加链的低阶傅里叶系数可达高阶傅里叶系数。我们证明了满足该属性的功能可以在多项式时间中使用常规神经网络上的分层随机坐标血液中学到多项式时间 - 一类网络架构和具有同质性属性的初始化。我们的分析表明，对于这种阶梯功能和神经网络，基于梯度的算法通过贪婪地组合沿网络深度的较低级别特征来了解高级功能。我们进一步回复了我们的理论结果，实验显示楼梯功能也是由具有随机梯度下降的更多标准Reset架构进行学习的。理论和实验结果都支持阶梯属性在理解基于梯度的学习的能力的情况下，与可以模仿最近所示的任何SQ或PAC算法的一般多项式网络相反，阶梯属性在理解普通网络上的能力相反。

数据增强是机器学习管道的基石，但其理论基础尚不清楚。它只是人为增加数据集大小的一种方法吗？还是鼓励模型满足某些不变性？在这项工作中，我们考虑了另一个角度，我们研究了数据增强对学习过程动态的影响。我们发现，数据增强可以改变各种功能的相对重要性，从而有效地使某些信息性但难以学习的功能更有可能在学习过程中捕获。重要的是，我们表明，对于非线性模型，例如神经网络，这种效果更为明显。我们的主要贡献是对Allen-Zhu和Li [2020]最近提出的多视图数据模型中两层卷积神经网络的学习动态数据的详细分析。我们通过进一步的实验证据来补充这一分析，证明数据增加可以看作是特征操纵。

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。

这项工作表征了深度对线性回归优化景观的影响，表明尽管具有非凸性，但更深的模型具有更理想的优化景观。我们考虑了一个健壮且过度参数化的设置，其中测量的子集严重损坏了噪声，真正的线性模型将通过$ n $ layer-layer线性神经网络捕获。在负面方面，我们表明这个问题\ textit {do}具有良性景观：给定任何$ n \ geq 1 $，具有恒定概率，存在与既不是本地也不是全局最小值的地面真理的解决方案。但是，从积极的一面来看，我们证明，对于具有$ n \ geq 2 $的任何$ n $ layer模型，一种简单的次级方法变得忽略了这种``有问题的''解决方案；取而代之的是，它收敛于平衡的解决方案，该解决方案不仅接近地面真理，而且享有平坦的当地景观，从而避免了“早期停止”的需求。最后，我们从经验上验证了更深层模型的理想优化格局扩展到其他强大的学习任务，包括具有$ \ ell_1 $ -loss的深层矩阵恢复和深度relu网络。

我们证明了由例如He等人提出的广泛使用的方法。（2015年）并使用梯度下降对最小二乘损失进行训练并不普遍。具体而言，我们描述了一大批一维数据生成分布，较高的概率下降只会发现优化景观的局部最小值不好，因为它无法将其偏离偏差远离其初始化，以零移动。。事实证明，在这些情况下，即使目标函数是非线性的，发现的网络也基本执行线性回归。我们进一步提供了数值证据，表明在实际情况下，对于某些多维分布而发生这种情况，并且随机梯度下降表现出相似的行为。我们还提供了有关初始化和优化器的选择如何影响这种行为的经验结果。