线性状态空间模型（SSM）的状态过渡矩阵的适当参数化，然后是标准非线性，使他们能够从顺序数据中有效地学习表示形式，从。在本文中，我们表明，当线性液体时恒定（LTC）状态空间模型给出诸如S4之类的结构SSM时，我们可以进一步改善。 LTC神经网络是带有输入依赖性状态过渡模块的因果连续神经网络，这使他们学会在推理时适应传入的输入。我们表明，通过使用对角和S4中引入的状态过渡矩阵的对角线加低级分解以及一些简化的基于LTC的结构状态空间模型（称为Liquid-S4）实现了新的最新最先进的最先进跨序列建模任务具有长期依赖性（例如图像，文本，音频和医疗时间序列）的艺术概括，在远程竞技场基准中的平均性能为87.32％。在完整的原始语音命令识别中，数据集Liquid-S4的精度达到96.78％，与S4相比，参数计数降低了30％。性能的额外增益是液体-S4的核结构的直接结果，该结构考虑了训练和推理过程中输入序列样本的相似性。

序列建模的一个中心目标是设计一个单个原则模型，该模型可以解决各种方式和任务，尤其是在远程依赖方面的序列数据。尽管包括RNN，CNN和Transformers在内的传统模型具有用于捕获长期依赖性的专业变体，但它们仍然很难扩展到长时间的10000美元或更多步骤。通过模拟基本状态空间模型（SSM）\（x'（t）= ax（t）= ax（t） + bu（t），y（t）= cx（t） + du（t） + du（t）\ ), and showed that for appropriate choices of the state matrix \( A \), this system could handle long-range dependencies mathematically and empirically.但是，该方法具有过度的计算和内存需求，使其无法作为一般序列建模解决方案。我们根据SSM的新参数化提出了结构化状态空间序列模型（S4），并表明它可以比以前的方法更有效地计算出其理论强度。我们的技术涉及对\（a \）进行低级校正的调节，从而使其对角度稳定，并将SSM降低到库奇内核的精心研究的计算中。 S4在各种既定的基准测试范围内取得了强劲的经验结果，包括（i）在顺序CIFAR-10上的91 \％精度，没有数据增强或辅助损失，与较大的2-D Resnet相当，（ii）实质上关闭。在图像和语言建模任务上与变形金刚的差距，同时在远程竞技场基准的每个任务上执行每一代$ 60 \ times $ $（iii）sota，包括求解所有先前工作的挑战性path-x任务，而所有先前工作的长度为16K，同时与所有竞争对手一样高效。

有效地对远程依赖性建模是序列建模的重要目标。最近，使用结构化状态空间序列（S4）层的模型在许多远程任务上实现了最先进的性能。 S4层将线性状态空间模型（SSM）与深度学习技术结合在一起，并利用HIPPO框架进行在线功能近似以实现高性能。但是，该框架导致了架构约束和计算困难，使S4方法变得复杂，可以理解和实施。我们重新审视这样的想法，即遵循河马框架对于高性能是必要的。具体而言，我们替换了许多独立的单输入单输出（SISO）SSM的库S4层与一个多输入的多输出（MIMO）SSM一起使用，并具有降低的潜在尺寸。 MIMO系统的缩小潜在维度允许使用有效的并行扫描，从而简化了将S5层应用于序列到序列转换所需的计算。此外，我们将S5 SSM的状态矩阵初始化，其近似与S4 SSMS使用的河马级矩阵近似，并表明这是MIMO设置的有效初始化。 S5与S4在远程任务上的表现相匹配，包括在远程竞技场基准的套件中平均达到82.46％，而S4的80.48％和最佳的变压器变体的61.41％。

最近已证明状态空间模型（SSM）是深度学习层非常有效的，它是序列模型（例如RNN，CNN或变压器）的有前途替代方案。第一个显示这种潜力的版本是S4模型，它通过使用称为HIPPO矩阵的规定状态矩阵对涉及长期依赖性的任务特别有效。尽管这具有可解释的数学机制来建模长期依赖性，但它引入了一种自定义表示和算法，可能难以实施。另一方面，最新的S4变体称为DSS，表明将状态矩阵完全对角线限制在使用基于近似S4矩阵的特定初始化时，仍然可以保留原始模型的性能。这项工作旨在系统地了解如何参数化和初始化此类对角线状态空间模型。虽然从经典的结果来看，几乎所有SSM都具有等效的对角线形式，但我们表明初始化对于性能至关重要。我们通过证明S4矩阵的对角线限制出人意料地在无限状态尺寸的极限中恢复了相同的内核来解释为什么DSS在数学上起作用。我们还系统地描述了参数化和计算对角线SSM的各种设计选择，并执行对这些选择的影响的受控经验研究。我们的最终型号S4D是S4的简单对角线版本，其内核计算仅需要2行代码，并且几乎在所有设置中都与S4相当地执行，并具有最新的图像，音频和医疗时间序列域的结果，在远程竞技场基准中平均为85％。

We introduce a novel gated recurrent unit (GRU) with a weighted time-delay feedback mechanism in order to improve the modeling of long-term dependencies in sequential data. This model is a discretized version of a continuous-time formulation of a recurrent unit, where the dynamics are governed by delay differential equations (DDEs). By considering a suitable time-discretization scheme, we propose $\tau$-GRU, a discrete-time gated recurrent unit with delay. We prove the existence and uniqueness of solutions for the continuous-time model, and we demonstrate that the proposed feedback mechanism can help improve the modeling of long-term dependencies. Our empirical results show that $\tau$-GRU can converge faster and generalize better than state-of-the-art recurrent units and gated recurrent architectures on a range of tasks, including time-series classification, human activity recognition, and speech recognition.

状态空间模型已显示在建模远距离依赖性方面有效，特别是序列分类任务。在这项工作中，我们着重于对英语书籍，GitHub源代码和Arxiv数学文章的自回旋序列建模。基于围绕封闭激活功能的有效性的最新发展，我们提出了一个名为“封闭状态空间（GSS）”的新层，并表明它的训练速度明显快于TPU的S4（即DSS）的对角线版本，具有相当竞争力 - 基于变压器的基线，并表现出零击向更长的输入，同时直接实施。最后，我们表明，利用自我意见来建模局部依赖性，可以进一步提高GSS的性能。

最近的研究表明，诸如RNN和Transformers之类的深度学习模型为长期预测时间序列带来了显着的性能增长，因为它们有效地利用了历史信息。但是，我们发现，如何在神经网络中保存历史信息，同时避免过度适应历史上的噪音，这仍然有很大的改进空间。解决此问题可以更好地利用深度学习模型的功能。为此，我们设计了一个\ textbf {f}要求\ textbf {i} mpraved \ textbf {l} egendre \ textbf {m} emory模型，或{\ bf film}：它应用了legendre promotions topimate legendre provientions近似历史信息，近似历史信息，使用傅立叶投影来消除噪声，并添加低级近似值以加快计算。我们的实证研究表明，所提出的膜显着提高了由（\ textbf {20.3 \％}，\ textbf {22.6 \％}）的多变量和单变量长期预测中最新模型的准确性。我们还证明，这项工作中开发的表示模块可以用作一般插件，以提高其他深度学习模块的长期预测性能。代码可从https://github.com/tianzhou2011/film/获得。

像长期短期内存网络（LSTMS）和门控复发单元（GRUS）相同的经常性神经网络（RNN）是建模顺序数据的流行选择。它们的门控机构允许以来自传入观测的新信息在隐藏状态中编码的先前历史。在许多应用程序中，例如医疗记录，观察时间是不规则的并且携带重要信息。然而，LSTM和GRUS在观察之间假设恒定的时间间隔。为了解决这一挑战，我们提出了连续的经常性单位（CRU）-A神经结构，可以自然地处理观察之间的不规则时间间隔。 CRU的浇注机制采用卡尔曼滤波器的连续制剂，并且根据线性随机微分方程（SDE）和（2）潜伏状态在新观察进入时，在（1）之间的连续潜在传播之间的交替。在实证研究，我们表明CRU可以比神经常规差分方程（神经颂歌）的模型更好地插值不规则时间序列。我们还表明，我们的模型可以从IM-AGES推断动力学，并且卡尔曼有效地单挑出候选人的候选人，从而从嘈杂的观察中获得有价值的状态更新。

变压器注意机制中的设计选择，包括弱电感偏置和二次计算复杂性，限制了其用于建模长序列的应用。在本文中，我们介绍了一个简单的，理论上的，单头的门控注意机制，配备了（指数）移动平均线，以将局部依赖性的电感偏置纳入位置 - 敏锐的注意机制中。我们进一步提出了一个具有线性时间和空间复杂性的大型变体，但通过将整个序列分为固定长度的多个块，仅产生最小的质量损失。对广泛的序列建模基准测试的广泛实验，包括远距离竞技场，神经机器翻译，自动回归语言建模以及图像和语音分类，表明，巨人比其他序列模型取得了重大改进，包括变种物的变体和最新的变体模型状态空间模型。

尽管基于变压器的方法已显着改善了长期序列预测的最新结果，但它们不仅在计算上昂贵，而且更重要的是，无法捕获全球时间序列的观点（例如，整体趋势）。为了解决这些问题，我们建议将变压器与季节性趋势分解方法相结合，在这种方法中，分解方法捕获了时间序列的全局概况，而变形金刚捕获了更详细的结构。为了进一步提高变压器的长期预测性能，我们利用了以下事实：大多数时间序列倾向于在诸如傅立叶变换之类的知名基础上具有稀疏的表示形式，并开发出频率增强的变压器。除了更有效外，所提出的方法被称为频率增强分解变压器（{\ bf fedFormer}），比标准变压器更有效，具有线性复杂性对序列长度。我们对六个基准数据集的实证研究表明，与最先进的方法相比，FedFormer可以将预测错误降低14.8 \％$ $和$ 22.6 \％\％\％\％$ $，分别为多变量和单变量时间序列。代码可在https://github.com/maziqing/fedformer上公开获取。

基于预测方法的深度学习已成为时间序列预测或预测的许多应用中的首选方法，通常通常优于其他方法。因此，在过去的几年中，这些方法现在在大规模的工业预测应用中无处不在，并且一直在预测竞赛（例如M4和M5）中排名最佳。这种实践上的成功进一步提高了学术兴趣，以理解和改善深厚的预测方法。在本文中，我们提供了该领域的介绍和概述：我们为深入预测的重要构建块提出了一定深度的深入预测；随后，我们使用这些构建块，调查了最近的深度预测文献的广度。

State space models (SSMs) have demonstrated state-of-the-art sequence modeling performance in some modalities, but underperform attention in language modeling. Moreover, despite scaling nearly linearly in sequence length instead of quadratically, SSMs are still slower than Transformers due to poor hardware utilization. In this paper, we make progress on understanding the expressivity gap between SSMs and attention in language modeling, and on reducing the hardware barrier between SSMs and attention. First, we use synthetic language modeling tasks to understand the gap between SSMs and attention. We find that existing SSMs struggle with two capabilities: recalling earlier tokens in the sequence and comparing tokens across the sequence. To understand the impact on language modeling, we propose a new SSM layer, H3, that is explicitly designed for these abilities. H3 matches attention on the synthetic languages and comes within 0.4 PPL of Transformers on OpenWebText. Furthermore, a hybrid 125M-parameter H3-attention model that retains two attention layers surprisingly outperforms Transformers on OpenWebText by 1.0 PPL. Next, to improve the efficiency of training SSMs on modern hardware, we propose FlashConv. FlashConv uses a fused block FFT algorithm to improve efficiency on sequences up to 8K, and introduces a novel state passing algorithm that exploits the recurrent properties of SSMs to scale to longer sequences. FlashConv yields 2$\times$ speedup on the long-range arena benchmark and allows hybrid language models to generate text 1.6$\times$ faster than Transformers. Using FlashConv, we scale hybrid H3-attention language models up to 1.3B parameters on the Pile and find promising initial results, achieving lower perplexity than Transformers and outperforming Transformers in zero- and few-shot learning on a majority of tasks in the SuperGLUE benchmark.

Sequence models based on linear state spaces (SSMs) have recently emerged as a promising choice of architecture for modeling long range dependencies across various modalities. However, they invariably rely on discretization of a continuous state space, which complicates their presentation and understanding. In this work, we dispose of the discretization step, and propose a model based on vanilla Diagonal Linear RNNs ($\mathrm{DLR}$). We empirically show that $\mathrm{DLR}$ is as performant as previously-proposed SSMs in the presence of strong supervision, despite being conceptually much simpler. Moreover, we characterize the expressivity of SSMs (including $\mathrm{DLR}$) and attention-based models via a suite of $13$ synthetic sequence-to-sequence tasks involving interactions over tens of thousands of tokens, ranging from simple operations, such as shifting an input sequence, to detecting co-dependent visual features over long spatial ranges in flattened images. We find that while SSMs report near-perfect performance on tasks that can be modeled via $\textit{few}$ convolutional kernels, they struggle on tasks requiring $\textit{many}$ such kernels and especially when the desired sequence manipulation is $\textit{context-dependent}$. For example, $\mathrm{DLR}$ learns to perfectly shift a $0.5M$-long input by an arbitrary number of positions but fails when the shift size depends on context. Despite these limitations, $\mathrm{DLR}$ reaches high performance on two higher-order reasoning tasks $\mathrm{ListOpsSubTrees}$ and $\mathrm{PathfinderSegmentation}\text{-}\mathrm{256}$ with input lengths $8K$ and $65K$ respectively, and gives encouraging performance on $\mathrm{PathfinderSegmentation}\text{-}\mathrm{512}$ with input length $262K$ for which attention is not a viable choice.

在许多科学学科中，我们有兴趣推断一组观察到的时间序列的非线性动力学系统，这是面对混乱的行为和噪音，这是一项艰巨的任务。以前的深度学习方法实现了这一目标，通常缺乏解释性和障碍。尤其是，即使基本动力学生存在较低维的多种多样的情况下，忠实嵌入通常需要的高维潜在空间也会阻碍理论分析。在树突计算的新兴原则的推动下，我们通过线性样条基础扩展增强了动态解释和数学可牵引的分段线性（PL）复发性神经网络（RNN）。我们表明，这种方法保留了简单PLRNN的所有理论上吸引人的特性，但在相对较低的尺寸中提高了其近似任意非线性动态系统的能力。我们采用两个框架来训练该系统，一个将反向传播的时间（BPTT）与教师强迫结合在一起，另一个将基于快速可扩展的变异推理的基础。我们表明，树枝状扩展的PLRNN可以在各种动力学系统基准上获得更少的参数和尺寸，并与其他方法进行比较，同时保留了可拖动和可解释的结构。

Methods based on ordinary differential equations (ODEs) are widely used to build generative models of time-series. In addition to high computational overhead due to explicitly computing hidden states recurrence, existing ODE-based models fall short in learning sequence data with sharp transitions - common in many real-world systems - due to numerical challenges during optimization. In this work, we propose LS4, a generative model for sequences with latent variables evolving according to a state space ODE to increase modeling capacity. Inspired by recent deep state space models (S4), we achieve speedups by leveraging a convolutional representation of LS4 which bypasses the explicit evaluation of hidden states. We show that LS4 significantly outperforms previous continuous-time generative models in terms of marginal distribution, classification, and prediction scores on real-world datasets in the Monash Forecasting Repository, and is capable of modeling highly stochastic data with sharp temporal transitions. LS4 sets state-of-the-art for continuous-time latent generative models, with significant improvement of mean squared error and tighter variational lower bounds on irregularly-sampled datasets, while also being x100 faster than other baselines on long sequences.

变形金刚在序列建模及以后取得了显着的成功，但相对于输入序列的长度，二次计算和记忆复杂性遭受了损失。利用技术包括稀疏和线性的注意力和哈希技巧；已经提出了有效的变压器来降低变压器的二次复杂性，但会显着降低准确性。作为响应，我们首先将计算注意图的线性注意力和残差连接解释为梯度下降步骤。然后，我们将动量引入这些组件，并提出\ emph {动量变压器}，该动量利用动量来提高线性变压器的精度，同时保持线性内存和计算复杂性。此外，我们制定了一种自适应策略，以根据二次优化的最佳动量计算模型的动量值。这种自适应动量消除了寻找最佳动量值的需求，并进一步增强了动量变压器的性能。包括图像生成和机器翻译在内的自回归和非自动回归任务的一系列实验表明，动量变压器在训练效率和准确性方面优于流行的线性变压器。

在许多学科中，动态系统的数据信息预测模型的开发引起了广泛的兴趣。我们提出了一个统一的框架，用于混合机械和机器学习方法，以从嘈杂和部分观察到的数据中识别动态系统。我们将纯数据驱动的学习与混合模型进行比较，这些学习结合了不完善的域知识。我们的公式与所选的机器学习模型不可知，在连续和离散的时间设置中都呈现，并且与表现出很大的内存和错误的模型误差兼容。首先，我们从学习理论的角度研究无内存线性（W.R.T.参数依赖性）模型误差，从而定义了过多的风险和概括误差。对于沿阵行的连续时间系统，我们证明，多余的风险和泛化误差都通过与T的正方形介于T的术语（指定训练数据的时间间隔）的术语界定。其次，我们研究了通过记忆建模而受益的方案，证明了两类连续时间复发性神经网络（RNN）的通用近似定理：两者都可以学习与内存有关的模型误差。此外，我们将一类RNN连接到储层计算，从而将学习依赖性错误的学习与使用随机特征在Banach空间之间进行监督学习的最新工作联系起来。给出了数值结果（Lorenz '63，Lorenz '96多尺度系统），以比较纯粹的数据驱动和混合方法，发现混合方法较少，渴望数据较少，并且更有效。最后，我们从数值上证明了如何利用数据同化来从嘈杂，部分观察到的数据中学习隐藏的动态，并说明了通过这种方法和培训此类模型来表示记忆的挑战。

Transformer models have achieved superior performance in various natural language processing tasks. However, the quadratic computational cost of the attention mechanism limits its practicality for long sequences. There are existing attention variants that improve the computational efficiency, but they have limited ability to effectively compute global information. In parallel to Transformer models, state space models (SSMs) are tailored for long sequences, but they are not flexible enough to capture complicated local information. We propose SPADE, short for $\underline{\textbf{S}}$tate s$\underline{\textbf{P}}$ace $\underline{\textbf{A}}$ugmente$\underline{\textbf{D}}$ Transform$\underline{\textbf{E}}$r. Specifically, we augment a SSM into the bottom layer of SPADE, and we employ efficient local attention methods for the other layers. The SSM augments global information, which complements the lack of long-range dependency issue in local attention methods. Experimental results on the Long Range Arena benchmark and language modeling tasks demonstrate the effectiveness of the proposed method. To further demonstrate the scalability of SPADE, we pre-train large encoder-decoder models and present fine-tuning results on natural language understanding and natural language generation tasks.

长期数据的分类是一个重要的机器学习任务，并出现在许多应用程序中。经常性的神经网络，变压器和卷积神经网络是从顺序数据学习的三种主要技术。在这些方法中，在时间序列回归中缩放到非常长序列的时间卷积网络（TCN）已经取得了显着的进展。但是，对于序列分类的TCNS的性能并不令人满意，因为它们在最后位置使用偏斜连接协议和输出类。这种不对称限制了它们对分类的性能，这取决于整个序列。在这项工作中，我们提出了一种称为循环扩张卷积神经网络（CDIL-CNN）的对称的多尺度架构，其中每个位置具有相同的机会从前一层处接收来自其他位置的信息。我们的模型在所有位置提供分类登录，我们可以应用一个简单的集合学习来实现更好的决定。我们在各种长期数据集上测试了CDIL-CNN。实验结果表明，我们的方法在许多最先进的方法上具有卓越的性能。

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。