Hierarchical learning algorithms that gradually approximate a solution to a data-driven optimization problem are essential to decision-making systems, especially under limitations on time and computational resources. In this study, we introduce a general-purpose hierarchical learning architecture that is based on the progressive partitioning of a possibly multi-resolution data space. The optimal partition is gradually approximated by solving a sequence of optimization sub-problems that yield a sequence of partitions with increasing number of subsets. We show that the solution of each optimization problem can be estimated online using gradient-free stochastic approximation updates. As a consequence, a function approximation problem can be defined within each subset of the partition and solved using the theory of two-timescale stochastic approximation algorithms. This simulates an annealing process and defines a robust and interpretable heuristic method to gradually increase the complexity of the learning architecture in a task-agnostic manner, giving emphasis to regions of the data space that are considered more important according to a predefined criterion. Finally, by imposing a tree structure in the progression of the partitions, we provide a means to incorporate potential multi-resolution structure of the data space into this approach, significantly reducing its complexity, while introducing hierarchical feature extraction properties similar to certain classes of deep learning architectures. Asymptotic convergence analysis and experimental results are provided for clustering, classification, and regression problems.

人类认知中的普遍学习架构存在是由神经科学的实验结果支持的广泛传播的猜想。虽然没有指定低级实施，但据信人类感知和学习的摘要概述需要三个基本属性：（a）基于内存的知识表示，（b）基于内存的知识表示，（c）逐步学习和知识压实。我们从系统理论上探讨了这种学习架构的设计，开发了具有三个主要组件的闭环系统：（i）多分辨率分析预处理器，（ii）组不变特征提取器，以及（iii）基于渐进知识的学习模块。多分辨率反馈循环用于学习，即使系统参数适应在线观察。设计（i）和（ii），我们建立在基于小波的多分辨率分析和集团卷积运营商的属性的建立理论上。关于（iii），我们介绍了一种新的学习算法，该算法构建多项分辨率的逐步增长的知识表示。该算法是基于退火优化的在线确定性退火（ODA）算法的延伸，使用无梯度随机近似求解。 ODA具有固有的鲁棒性和正常化属性，并提供了逐步提高学习模型的复杂性的方法，即根据需要，通过直观的分叉现象，神经元的数量。所提出的多分辨率方法是分层，逐步，知识的和可解释的。我们说明了在最先进的学习算法和深度学习方法的上下文中所提出的架构的性质。

在这项工作中，我们介绍了一种学习模型，旨在满足计算资源有限的应用需求，并且优先考虑鲁棒性和解释性。学习问题可以作为受限的随机优化问题提出，其限制主要源于模型假设，这些假设定义了复杂性和性能之间的权衡。这种权衡与噪声和对抗性攻击的过度拟合，概括能力和鲁棒性密切相关，并取决于模型的结构和复杂性以及所使用的优化方法的属性。我们基于退火优化开发了一种基于在线原型的学习算法，该算法被称为无线梯度随机近似算法。学习模型可以被视为一种可解释的竞争学习神经网络模型，用于监督，无监督和强化学习。该算法的退火性质有助于最小的高参数调整要求，局部最小值预防差以及相对于初始条件的鲁棒性。同时，它通过直观的分叉现象逐渐提高学习模型的复杂性，从而在线控制对性能复杂性权衡。最后，随机近似的使用能够通过动态系统和控制的数学工具来研究学习算法的收敛性，并允许其与增强学习算法的集成，从而构建适应性的状态行动聚合方案。

几乎在几乎每个迭代机器学习算法的内部是超参数调谐的问题，包括三个主要设计参数：（a）模型的复杂性，例如神经网络中的神经元数，（b）初始条件，这大量影响算法的行为，（c）用于量化其性能的不相似度量。我们介绍基于在线的基于原型的学习算法，可以被视为用于分类和聚类的逐步增长的竞争学习神经网络架构。所提出的方法的学习规则被制定为一种在线梯度随机近似算法，解决了模拟退火过程的适当定义的优化问题的序列。该算法的退火性质有助于避免众多局部最小值，提供初始条件的鲁棒性，并通过直观的分叉现象提供逐渐增加学习模型的复杂性的方法。提出的方法是可解释的，需要最小的超参数调整，并允许在线控制对性能复杂性权衡。最后，我们表明Bregman分歧自然地看作是一个在学习算法的性能和计算复杂性中起着核心作用的一个不相似性措施。

信息理论措施已广泛采用学习和决策问题的特征。受到这一点的启发，我们介绍了Shannon Sense的信息损失的弱形式，ii）在考虑一系列有损的连续表示（特征）时，错误（MPE）意义上的最小概率的操作损失连续观察。我们展示了几个结果揭示了这种相互作用的结果。我们的第一个结果在采用离散的损耗表示（量化）而不是原始原始观察时，在其各自的操作损失的函数中提供弱的信息损失形式的下限。从这后，我们的主要结果表明，在考虑一般的持续陈述时，特定形式的消失信息丧失（渐近信息充足的弱势概念）意味着消失的MPE损失（或渐近运营充足机会）。我们的理论调查结果支持观察到选择要捕捉信息充足性的特征表示是适当的学习，但如果预期目标在分类中实现MPE，这种选择是一种相当保守的设计原则。支持这一表明，在某些结构条件下，我们表明，可以采取信息充足的替代概念（严格弱于互信息意义上的纯粹足够的充足），以实现运动充足。

量子哈密顿学习和量子吉布斯采样的双重任务与物理和化学中的许多重要问题有关。在低温方案中，这些任务的算法通常会遭受施状能力，例如因样本或时间复杂性差而遭受。为了解决此类韧性，我们将量子自然梯度下降的概括引入了参数化的混合状态，并提供了稳健的一阶近似算法，即量子 - 固定镜下降。我们使用信息几何学和量子计量学的工具证明了双重任务的数据样本效率，因此首次将经典Fisher效率的开创性结果推广到变异量子算法。我们的方法扩展了以前样品有效的技术，以允许模型选择的灵活性，包括基于量子汉密尔顿的量子模型，包括基于量子的模型，这些模型可能会规避棘手的时间复杂性。我们的一阶算法是使用经典镜下降二元性的新型量子概括得出的。两种结果都需要特殊的度量选择，即Bogoliubov-Kubo-Mori度量。为了从数值上测试我们提出的算法，我们将它们的性能与现有基准进行了关于横向场ISING模型的量子Gibbs采样任务的现有基准。最后，我们提出了一种初始化策略，利用几何局部性来建模状态的序列（例如量子 - 故事过程）的序列。我们从经验上证明了它在实际和想象的时间演化的经验上，同时定义了更广泛的潜在应用。

度量的运输提供了一种用于建模复杂概率分布的多功能方法，并具有密度估计，贝叶斯推理，生成建模及其他方法的应用。单调三角传输地图$ \ unicode {x2014} $近似值$ \ unicode {x2013} $ rosenblatt（kr）重新安排$ \ unicode {x2014} $是这些任务的规范选择。然而，此类地图的表示和参数化对它们的一般性和表现力以及对从数据学习地图学习（例如，通过最大似然估计）出现的优化问题的属性产生了重大影响。我们提出了一个通用框架，用于通过平滑函数的可逆变换来表示单调三角图。我们建立了有关转化的条件，以使相关的无限维度最小化问题没有伪造的局部最小值，即所有局部最小值都是全球最小值。我们展示了满足某些尾巴条件的目标分布，唯一的全局最小化器与KR地图相对应。鉴于来自目标的样品，我们提出了一种自适应算法，该算法估计了基础KR映射的稀疏半参数近似。我们证明了如何将该框架应用于关节和条件密度估计，无可能的推断以及有向图形模型的结构学习，并在一系列样本量之间具有稳定的概括性能。

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.

速率 - 失真（R-D）函数，信息理论中的关键数量，其特征在于，通过任何压缩算法，通过任何压缩算法将数据源可以压缩到保真标准的基本限制。随着研究人员推动了不断提高的压缩性能，建立给定数据源的R-D功能不仅具有科学的兴趣，而且还在可能的空间上揭示了改善压缩算法的可能性。以前的解决此问题依赖于数据源上的分布假设（Gibson，2017）或仅应用于离散数据。相比之下，本文使得第一次尝试播放常规（不一定是离散的）源仅需要i.i.d的算法的算法。数据样本。我们估计高斯和高尺寸香蕉形源的R-D三明治界，以及GaN生成的图像。我们在自然图像上的R-D上限表示在各种比特率的PSNR中提高最先进的图像压缩方法的性能的空间。

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。

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。

本文评价用机器学习问题的数值优化方法。由于机器学习模型是高度参数化的，我们专注于适合高维优化的方法。我们在二次模型上构建直觉，以确定哪种方法适用于非凸优化，并在凸函数上开发用于这种方法的凸起函数。随着随机梯度下降和动量方法的这种理论基础，我们试图解释为什么机器学习领域通常使用的方法非常成功。除了解释成功的启发式之外，最后一章还提供了对更多理论方法的广泛审查，这在实践中并不像惯例。所以在某些情况下，这项工作试图回答这个问题：为什么默认值中包含的默认TensorFlow优化器？

These notes were compiled as lecture notes for a course developed and taught at the University of the Southern California. They should be accessible to a typical engineering graduate student with a strong background in Applied Mathematics. The main objective of these notes is to introduce a student who is familiar with concepts in linear algebra and partial differential equations to select topics in deep learning. These lecture notes exploit the strong connections between deep learning algorithms and the more conventional techniques of computational physics to achieve two goals. First, they use concepts from computational physics to develop an understanding of deep learning algorithms. Not surprisingly, many concepts in deep learning can be connected to similar concepts in computational physics, and one can utilize this connection to better understand these algorithms. Second, several novel deep learning algorithms can be used to solve challenging problems in computational physics. Thus, they offer someone who is interested in modeling a physical phenomena with a complementary set of tools.

We propose a simultaneous learning and pruning algorithm capable of identifying and eliminating irrelevant structures in a neural network during the early stages of training. Thus, the computational cost of subsequent training iterations, besides that of inference, is considerably reduced. Our method, based on variational inference principles using Gaussian scale mixture priors on neural network weights, learns the variational posterior distribution of Bernoulli random variables multiplying the units/filters similarly to adaptive dropout. Our algorithm, ensures that the Bernoulli parameters practically converge to either 0 or 1, establishing a deterministic final network. We analytically derive a novel hyper-prior distribution over the prior parameters that is crucial for their optimal selection and leads to consistent pruning levels and prediction accuracy regardless of weight initialization or the size of the starting network. We prove the convergence properties of our algorithm establishing theoretical and practical pruning conditions. We evaluate the proposed algorithm on the MNIST and CIFAR-10 data sets and the commonly used fully connected and convolutional LeNet and VGG16 architectures. The simulations show that our method achieves pruning levels on par with state-of the-art methods for structured pruning, while maintaining better test-accuracy and more importantly in a manner robust with respect to network initialization and initial size.

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.

由于在数据稀缺的设置中，交叉验证的性能不佳，我们提出了一个新颖的估计器，以估计数据驱动的优化策略的样本外部性能。我们的方法利用优化问题的灵敏度分析来估计梯度关于数据中噪声量的最佳客观值，并利用估计的梯度将策略的样本中的表现为依据。与交叉验证技术不同，我们的方法避免了为测试集牺牲数据，在训练和因此非常适合数据稀缺的设置时使用所有数据。我们证明了我们估计量的偏见和方差范围，这些问题与不确定的线性目标优化问题，但已知的，可能是非凸的，可行的区域。对于更专业的优化问题，从某种意义上说，可行区域“弱耦合”，我们证明结果更强。具体而言，我们在估算器的错误上提供明确的高概率界限，该估计器在策略类别上均匀地保持，并取决于问题的维度和策略类的复杂性。我们的边界表明，在轻度条件下，随着优化问题的尺寸的增长，我们的估计器的误差也会消失，即使可用数据的量仍然很小且恒定。说不同的是，我们证明我们的估计量在小型数据中的大规模政权中表现良好。最后，我们通过数值将我们提出的方法与最先进的方法进行比较，通过使用真实数据调度紧急医疗响应服务的案例研究。我们的方法提供了更准确的样本外部性能估计，并学习了表现更好的政策。

Several problems in stochastic analysis are defined through their geometry, and preserving that geometric structure is essential to generating meaningful predictions. Nevertheless, how to design principled deep learning (DL) models capable of encoding these geometric structures remains largely unknown. We address this open problem by introducing a universal causal geometric DL framework in which the user specifies a suitable pair of geometries $\mathscr{X}$ and $\mathscr{Y}$ and our framework returns a DL model capable of causally approximating any ``regular'' map sending time series in $\mathscr{X}^{\mathbb{Z}}$ to time series in $\mathscr{Y}^{\mathbb{Z}}$ while respecting their forward flow of information throughout time. Suitable geometries on $\mathscr{Y}$ include various (adapted) Wasserstein spaces arising in optimal stopping problems, a variety of statistical manifolds describing the conditional distribution of continuous-time finite state Markov chains, and all Fr\'echet spaces admitting a Schauder basis, e.g. as in classical finance. Suitable, $\mathscr{X}$ are any compact subset of any Euclidean space. Our results all quantitatively express the number of parameters needed for our DL model to achieve a given approximation error as a function of the target map's regularity and the geometric structure both of $\mathscr{X}$ and of $\mathscr{Y}$. Even when omitting any temporal structure, our universal approximation theorems are the first guarantees that H\"older functions, defined between such $\mathscr{X}$ and $\mathscr{Y}$ can be approximated by DL models.

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。

最近有兴趣的兴趣在教师学生环境中的各种普遍性线性估计问题中的渐近重建性能研究，特别是对于I.I.D标准正常矩阵的案例。在这里，我们超越这些矩阵，并证明了具有具有任意界限频谱的旋转不变数据矩阵的凸遍的线性模型的重建性能的分析公式，严格地确认使用来自统计物理的副本衍生的猜想。该公式包括许多问题，例如压缩感测或稀疏物流分类。通过利用消息通过算法和迭代的统计特性来实现证明，允许表征估计器的渐近实证分布。我们的证据是基于构建Oracle多层向量近似消息传递算法的会聚序列的构建，其中通过检查等效动态系统的稳定性来完成收敛分析。我们说明了我们对主流学习方法的数值示例的要求，例如稀疏的逻辑回归和线性支持矢量分类器，显示中等大小模拟和渐近预测之间的良好一致性。

随机多变最小化 - 最小化（SMM）是大多数变化最小化的经典原则的在线延伸，这包括采样I.I.D。来自固定数据分布的数据点，并最小化递归定义的主函数的主要替代。在本文中，我们引入了随机块大大化 - 最小化，其中替代品现在只能块多凸，在半径递减内的时间优化单个块。在SMM中的代理人放松标准的强大凸起要求，我们的框架在内提供了更广泛的适用性，包括在线CANDECOMP / PARAFAC（CP）字典学习，并且尤其是当问题尺寸大时产生更大的计算效率。我们对所提出的算法提供广泛的收敛性分析，我们在可能的数据流下派生，放松标准i.i.d。对数据样本的假设。我们表明，所提出的算法几乎肯定会收敛于速率$ O（（\ log n）^ {1+ \ eps} / n ^ {1/2}）$的约束下的非凸起物镜的静止点集合。实证丢失函数和$ O（（\ log n）^ {1+ \ eps} / n ^ {1/4}）$的预期丢失函数，其中$ n $表示处理的数据样本数。在一些额外的假设下，后一趋同率可以提高到$ o（（\ log n）^ {1+ \ eps} / n ^ {1/2}）$。我们的结果为一般马尔维亚数据设置提供了各种在线矩阵和张量分解算法的第一融合率界限。