了解通过随机梯度下降（SGD）训练的神经网络的特性是深度学习理论的核心。在这项工作中，我们采取了平均场景，并考虑通过SGD培训的双层Relu网络，以实现一个非变量正则化回归问题。我们的主要结果是SGD偏向于简单的解决方案：在收敛时，Relu网络实现输入的分段线性图，以及“结”点的数量 - 即，Relu网络估计器的切线变化的点数 - 在两个连续的训练输入之间最多三个。特别地，随着网络的神经元的数量，通过梯度流的解决方案捕获SGD动力学，并且在收敛时，重量的分布方法接近相关的自由能量的独特最小化器，其具有GIBBS形式。我们的主要技术贡献在于分析了这一最小化器产生的估计器：我们表明其第二阶段在各地消失，除了代表“结”要点的一些特定地点。我们还提供了经验证据，即我们的理论预测的不同可能发生与数据点不同的位置的结。

Neural networks trained to minimize the logistic (a.k.a. cross-entropy) loss with gradient-based methods are observed to perform well in many supervised classification tasks. Towards understanding this phenomenon, we analyze the training and generalization behavior of infinitely wide two-layer neural networks with homogeneous activations. We show that the limits of the gradient flow on exponentially tailed losses can be fully characterized as a max-margin classifier in a certain non-Hilbertian space of functions. In presence of hidden low-dimensional structures, the resulting margin is independent of the ambiant dimension, which leads to strong generalization bounds. In contrast, training only the output layer implicitly solves a kernel support vector machine, which a priori does not enjoy such an adaptivity. Our analysis of training is non-quantitative in terms of running time but we prove computational guarantees in simplified settings by showing equivalences with online mirror descent. Finally, numerical experiments suggest that our analysis describes well the practical behavior of two-layer neural networks with ReLU activations and confirm the statistical benefits of this implicit bias.

在深度学习中的优化分析是连续的，专注于（变体）梯度流动，或离散，直接处理（变体）梯度下降。梯度流程可符合理论分析，但是风格化并忽略计算效率。它代表梯度下降的程度是深度学习理论的一个开放问题。目前的论文研究了这个问题。将梯度下降视为梯度流量初始值问题的近似数值问题，发现近似程度取决于梯度流动轨迹周围的曲率。然后，我们表明，在具有均匀激活的深度神经网络中，梯度流动轨迹享有有利的曲率，表明它们通过梯度下降近似地近似。该发现允许我们将深度线性神经网络的梯度流分析转换为保证梯度下降，其几乎肯定会在随机初始化下有效地收敛到全局最小值。实验表明，在简单的深度神经网络中，具有传统步长的梯度下降确实接近梯度流。我们假设梯度流动理论将解开深入学习背后的奥秘。

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 $）。

Autoencoders are a popular model in many branches of machine learning and lossy data compression. However, their fundamental limits, the performance of gradient methods and the features learnt during optimization remain poorly understood, even in the two-layer setting. In fact, earlier work has considered either linear autoencoders or specific training regimes (leading to vanishing or diverging compression rates). Our paper addresses this gap by focusing on non-linear two-layer autoencoders trained in the challenging proportional regime in which the input dimension scales linearly with the size of the representation. Our results characterize the minimizers of the population risk, and show that such minimizers are achieved by gradient methods; their structure is also unveiled, thus leading to a concise description of the features obtained via training. For the special case of a sign activation function, our analysis establishes the fundamental limits for the lossy compression of Gaussian sources via (shallow) autoencoders. Finally, while the results are proved for Gaussian data, numerical simulations on standard datasets display the universality of the theoretical predictions.

在本说明中，我们研究了如何使用单个隐藏层和RELU激活的神经网络插值数据，该数据是从径向对称分布中的，目标标签1处的目标标签1和单位球外部0，如果单位球内没有标签。通过重量衰减正则化和无限神经元的无限数据限制，我们证明存在独特的径向对称最小化器，其重量衰减正常器和Lipschitz常数分别为$ d $和$ \ sqrt {d} $。我们此外表明，如果标签$ 1 $强加于半径$ \ varepsilon $，而不仅仅是源头，则重量衰减正规剂会在$ d $中成倍增长。相比之下，具有两个隐藏层的神经网络可以近似目标函数，而不会遇到维度的诅咒。

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。

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）。

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。

我们研究了$ \ Mathcal {r} $的结构和统计属性 - 规范最小化由特定目标函数标记的数据集的内侧插值。$ \ MATHCAL {R} $ - 标准是两层神经网络的电感偏差的基础，最近引入了捕获网络权重大小的功能效果，与网络宽度无关。我们发现，即使有适合数据的脊函数，这些插值也是本质上的多元功能，而且$ \ Mathcal {r} $ - 规范归纳偏见不足以实现某些学习问题的统计上最佳概括。总的来说，这些结果为与实际神经网络训练有关的感应偏见提供了新的启示。

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。

尽管有许多有吸引力的财产，但内核方法受到维度的诅咒受到严重影响。例如，在$ \ mathbb {r} ^ d $的内部产品内核的情况下，再现内核希尔伯特空间（RKHS）规范对于依赖于小方向子集（RIDGE函数）的功能往往非常大。相应地，使用内核方法难以学习这样的功能。这种观察结果有动力研究内核方法的概括，由此rkhs规范 - 它等同于加权$ \ ell_2 $ norm - 被加权函数$ \ ell_p $ norm替换，我们将其称为$ \ mathcal {f} _p $ norm。不幸的是，这些方法的陶油是不清楚的。内核技巧不可用，最大限度地减少这些规范要求解决无限维凸面问题。我们将随机特征近似于这些规范，表明，对于$ p> 1 $，近似于原始学习问题所需的随机功能的数量是由样本大小的多项式的上限。因此，使用$ \ mathcal {f} _p $ norms在这些情况下是易行的。我们介绍了一种基于双重均匀浓度的证明技术，这可以对超分子化模型的研究更广泛。对于$ p = 1 $，我们对随机功能的保证近似分解。我们证明了使用$ \ mathcal {f} _1 $ norm的学习是在随机减少的$ \ mathsf {np} $ - 基于噪音的半个空间问题的问题。

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.

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.

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。

套索是一种高维回归的方法，当时，当协变量$ p $的订单数量或大于观测值$ n $时，通常使用它。由于两个基本原因，经典的渐近态性理论不适用于该模型：$（1）$正规风险是非平滑的； $（2）$估算器$ \ wideHat {\ boldsymbol {\ theta}} $与true参数vector $ \ boldsymbol {\ theta}^*$无法忽略。结果，标准的扰动论点是渐近正态性的传统基础。另一方面，套索估计器可以精确地以$ n $和$ p $大，$ n/p $的订单为一。这种表征首先是在使用I.I.D的高斯设计的情况下获得的。协变量：在这里，我们将其推广到具有非偏差协方差结构的高斯相关设计。这是根据更简单的``固定设计''模型表示的。我们在两个模型中各种数量的分布之间的距离上建立了非反应界限，它们在合适的稀疏类别中均匀地固定在信号上$ \ boldsymbol {\ theta}^*$。作为应用程序，我们研究了借助拉索的分布，并表明需要校正程度对于计算有效的置信区间是必要的。

This paper investigates the stability of deep ReLU neural networks for nonparametric regression under the assumption that the noise has only a finite p-th moment. We unveil how the optimal rate of convergence depends on p, the degree of smoothness and the intrinsic dimension in a class of nonparametric regression functions with hierarchical composition structure when both the adaptive Huber loss and deep ReLU neural networks are used. This optimal rate of convergence cannot be obtained by the ordinary least squares but can be achieved by the Huber loss with a properly chosen parameter that adapts to the sample size, smoothness, and moment parameters. A concentration inequality for the adaptive Huber ReLU neural network estimators with allowable optimization errors is also derived. To establish a matching lower bound within the class of neural network estimators using the Huber loss, we employ a different strategy from the traditional route: constructing a deep ReLU network estimator that has a better empirical loss than the true function and the difference between these two functions furnishes a low bound. This step is related to the Huberization bias, yet more critically to the approximability of deep ReLU networks. As a result, we also contribute some new results on the approximation theory of deep ReLU neural networks.

我们研究了神经网络中平方损耗训练问题的优化景观和稳定性，但通用非线性圆锥近似方案。据证明，如果认为非线性圆锥近似方案是（以适当定义的意义）比经典线性近似方法更具表现力，并且如果存在不完美的标签向量，则在方位损耗的训练问题必须在其中不稳定感知其解决方案集在训练数据中的标签向量上不连续地取决于标签向量。我们进一步证明对这些不稳定属性负责的效果也是马鞍点出现的原因和杂散的局部最小值，这可能是从全球解决方案的任意遥远的，并且既不训练问题也不是训练问题的不稳定性通常，杂散局部最小值的存在可以通过向目标函数添加正则化术语来克服衡量近似方案中参数大小的目标函数。无论可实现的可实现性是否满足，后一种结果都被证明是正确的。我们表明，我们的分析特别适用于具有可变宽度的自由结插值方案和深层和浅层神经网络的培训问题，其涉及各种激活功能的任意混合（例如，二进制，六骨，Tanh，arctan，软标志， ISRU，Soft-Clip，SQNL，Relu，Lifley Relu，Soft-Plus，Bent Identity，Silu，Isrlu和ELU）。总之，本文的发现说明了神经网络和一般非线性圆锥近似仪器的改进近似特性以直接和可量化的方式与必须解决的优化问题的不期望的性质链接，以便训练它们。

We consider the problem of estimating a multivariate function $f_0$ of bounded variation (BV), from noisy observations $y_i = f_0(x_i) + z_i$ made at random design points $x_i \in \mathbb{R}^d$, $i=1,\ldots,n$. We study an estimator that forms the Voronoi diagram of the design points, and then solves an optimization problem that regularizes according to a certain discrete notion of total variation (TV): the sum of weighted absolute differences of parameters $\theta_i,\theta_j$ (which estimate the function values $f_0(x_i),f_0(x_j)$) at all neighboring cells $i,j$ in the Voronoi diagram. This is seen to be equivalent to a variational optimization problem that regularizes according to the usual continuum (measure-theoretic) notion of TV, once we restrict the domain to functions that are piecewise constant over the Voronoi diagram. The regression estimator under consideration hence performs (shrunken) local averaging over adaptively formed unions of Voronoi cells, and we refer to it as the Voronoigram, following the ideas in Koenker (2005), and drawing inspiration from Tukey's regressogram (Tukey, 1961). Our contributions in this paper span both the conceptual and theoretical frontiers: we discuss some of the unique properties of the Voronoigram in comparison to TV-regularized estimators that use other graph-based discretizations; we derive the asymptotic limit of the Voronoi TV functional; and we prove that the Voronoigram is minimax rate optimal (up to log factors) for estimating BV functions that are essentially bounded.

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。