Modern deep neural networks have achieved superhuman performance in tasks from image classification to game play. Surprisingly, these various complex systems with massive amounts of parameters exhibit the same remarkable structural properties in their last-layer features and classifiers across canonical datasets. This phenomenon is known as "Neural Collapse," and it was discovered empirically by Papyan et al. \cite{Papyan20}. Recent papers have theoretically shown the global solutions to the training network problem under a simplified "unconstrained feature model" exhibiting this phenomenon. We take a step further and prove the Neural Collapse occurrence for deep linear network for the popular mean squared error (MSE) and cross entropy (CE) loss. Furthermore, we extend our research to imbalanced data for MSE loss and present the first geometric analysis for Neural Collapse under this setting.

训练深层神经网络进行分类任务的现代策略包括优化网络的权重，即使训练错误消失了，以进一步将训练损失推向零。最近，在此训练程序中凭经验观察到了一种称为“神经崩溃”（NC）的现象。具体而言，已经表明，课堂样品的学习特征（倒数第二层的输出）融合到它们的平均值，不同类别的平均值表现出一定的紧密框架结构，这也与最后一层的重量对齐。最近的论文表明，当使用正则化交叉渗透损失优化简化的“无约束特征模型”（UFM）时，具有这种结构的最小化。在本文中，我们进一步分析并扩展了UFM。首先，我们研究了正规化MSE损失的UFM，并表明最小化器的特征比在跨膜片情况下具有更精致的结构。这也影响了权重的结构。然后，我们通过向模型添加另一层权重以及依赖非线性来扩展UFM并概括我们先前的结果。最后，我们从经验上证明了非线性扩展UFM在对实用网络发生的NC现象进行建模时的实用性。

神经塌陷是指表征类嵌入和分类器重量的几何形状的显着结构特性，当经过零训练误差以外的训练时，深网被发现。但是，这种表征仅适用于平衡数据。因此，我们在这里询问是否可以使阶级失衡不变。为此，我们采用了不受限制的功能模型（UFM），这是一种用于研究神经塌陷的最新理论模型，并引入了单纯形编码标签的插值（SELI）作为神经崩溃现象的不变特征。具体而言，我们证明了UFM的跨凝结损失和消失的正则化，无论阶级失衡如何，嵌入和分类器总是插入单纯形编码的标签矩阵，并且其单个几何形状都由同一标签矩阵矩阵矩阵的SVD因子确定。然后，我们对合成和真实数据集进行了广泛的实验，这些实验确认了与SELI几何形状的收敛。但是，我们警告说，融合会随着不平衡的增加而恶化。从理论上讲，我们通过表明与平衡的情况不同，当存在少数民族时，山脊规范化在调整几何形状中起着至关重要的作用。这定义了新的问题，并激发了对阶级失衡对一阶方法融合其渐近优先解决方案的速率的影响的进一步研究。

当训练过度参数化的深网以进行分类任务时，已经广泛观察到，学到的功能表现出所谓的“神经崩溃”现象。更具体地说，对于倒数第二层的输出特征，对于每个类，课堂内特征会收敛到其平均值，而不同类别的手段表现出一定的紧密框架结构，这也与最后一层的分类器对齐。由于最后一层的特征归一化成为现代表示学习中的一种常见实践，因此，在这项工作中，我们从理论上证明了归一化特征的神经崩溃现象是合理的。基于不受约束的特征模型，我们通过限制球体上的所有特征和分类器来简化多级分类任务中的经验损失函数。在这种情况下，我们分析了riemannian优化问题在球体的产物上的非概念景观，从而显示出良性的全球景观，因为唯一的全球最小化器是神经崩溃的解决方案，而所有其他关键点是严格的鞍座。实用深网的实验结果证实了我们的理论，并证明可以通过特征归一化更快地学习更好的表示。

We develop new theoretical results on matrix perturbation to shed light on the impact of architecture on the performance of a deep network. In particular, we explain analytically what deep learning practitioners have long observed empirically: the parameters of some deep architectures (e.g., residual networks, ResNets, and Dense networks, DenseNets) are easier to optimize than others (e.g., convolutional networks, ConvNets). Building on our earlier work connecting deep networks with continuous piecewise-affine splines, we develop an exact local linear representation of a deep network layer for a family of modern deep networks that includes ConvNets at one end of a spectrum and ResNets, DenseNets, and other networks with skip connections at the other. For regression and classification tasks that optimize the squared-error loss, we show that the optimization loss surface of a modern deep network is piecewise quadratic in the parameters, with local shape governed by the singular values of a matrix that is a function of the local linear representation. We develop new perturbation results for how the singular values of matrices of this sort behave as we add a fraction of the identity and multiply by certain diagonal matrices. A direct application of our perturbation results explains analytically why a network with skip connections (such as a ResNet or DenseNet) is easier to optimize than a ConvNet: thanks to its more stable singular values and smaller condition number, the local loss surface of such a network is less erratic, less eccentric, and features local minima that are more accommodating to gradient-based optimization. Our results also shed new light on the impact of different nonlinear activation functions on a deep network's singular values, regardless of its architecture.

尽管过度参数化的模型已经在许多机器学习任务上表现出成功，但与培训不同的测试分布的准确性可能会下降。这种准确性下降仍然限制了在野外应用机器学习的限制。同时，重要的加权是一种处理分配转移的传统技术，已被证明在经验和理论上对过度参数化模型的影响较小甚至没有影响。在本文中，我们提出了重要的回火来改善决策界限，并为过度参数化模型取得更好的结果。从理论上讲，我们证明在标签移位和虚假相关设置下，组温度的选择可能不同。同时，我们还证明正确选择的温度可以解脱出少数群体崩溃的分类不平衡。从经验上讲，我们使用重要性回火来实现最严重的小组分类任务的最新结果。

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.

标签 - 不平衡和组敏感分类中的目标是优化相关的指标，例如平衡错误和相同的机会。经典方法，例如加权交叉熵，在训练深网络到训练（TPT）的终端阶段时，这是超越零训练误差的训练。这种观察发生了最近在促进少数群体更大边值的直观机制之后开发启发式替代品的动力。与之前的启发式相比，我们遵循原则性分析，说明不同的损失调整如何影响边距。首先，我们证明，对于在TPT中训练的所有线性分类器，有必要引入乘法，而不是添加性的Logit调整，以便对杂项边缘进行适当的变化。为了表明这一点，我们发现将乘法CE修改的连接到成本敏感的支持向量机。也许是违反，我们还发现，在培训开始时，相同的乘法权重实际上可以损害少数群体。因此，虽然在TPT中，添加剂调整无效，但我们表明它们可以通过对乘法重量的初始负效应进行抗衡来加速会聚。通过这些发现的动机，我们制定了矢量缩放（VS）丢失，即捕获现有技术作为特殊情况。此外，我们引入了对群体敏感分类的VS损失的自然延伸，从而以统一的方式处理两种常见类型的不平衡（标签/组）。重要的是，我们对最先进的数据集的实验与我们的理论见解完全一致，并确认了我们算法的卓越性能。最后，对于不平衡的高斯 - 混合数据，我们执行泛化分析，揭示平衡/标准错误和相同机会之间的权衡。

这项调查旨在提供线性模型及其背后的理论的介绍。我们的目标是对读者进行严格的介绍，并事先接触普通最小二乘。在机器学习中，输出通常是输入的非线性函数。深度学习甚至旨在找到需要大量计算的许多层的非线性依赖性。但是，这些算法中的大多数都基于简单的线性模型。然后，我们从不同视图中描述线性模型，并找到模型背后的属性和理论。线性模型是回归问题中的主要技术，其主要工具是最小平方近似，可最大程度地减少平方误差之和。当我们有兴趣找到回归函数时，这是一个自然的选择，该回归函数可以最大程度地减少相应的预期平方误差。这项调查主要是目的的摘要，即线性模型背后的重要理论的重要性，例如分布理论，最小方差估计器。我们首先从三种不同的角度描述了普通的最小二乘，我们会以随机噪声和高斯噪声干扰模型。通过高斯噪声，该模型产生了可能性，因此我们引入了最大似然估计器。它还通过这种高斯干扰发展了一些分布理论。最小二乘的分布理论将帮助我们回答各种问题并引入相关应用。然后，我们证明最小二乘是均值误差的最佳无偏线性模型，最重要的是，它实际上接近了理论上的极限。我们最终以贝叶斯方法及以后的线性模型结束。

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。

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。

随着Papyan等人最近对“神经崩溃（NC）”现象的观察，已经采取了各种努力来对其进行建模和分析。神经崩溃描述，在深层分类器网络中，与训练数据相关的最终隐藏层的类特征倾向于崩溃到各自的类功能均值。因此，将最后一层分类器的行为简化为最近级中心决策规则的行为。在这项工作中，我们分析了有助于从头开始对这种现象进行建模的原理，并展示他们如何建立对试图解释NC的最近提出的模型的共同理解。我们希望我们的分析对建模NC和有助于与神经网络的概括能力建立联系的多方面观点。最后，我们通过讨论进一步研究的途径并提出潜在的研究问题来得出结论。

Efforts to understand the generalization mystery in deep learning have led to the belief that gradient-based optimization induces a form of implicit regularization, a bias towards models of low "complexity." We study the implicit regularization of gradient descent over deep linear neural networks for matrix completion and sensing, a model referred to as deep matrix factorization. Our first finding, supported by theory and experiments, is that adding depth to a matrix factorization enhances an implicit tendency towards low-rank solutions, oftentimes leading to more accurate recovery. Secondly, we present theoretical and empirical arguments questioning a nascent view by which implicit regularization in matrix factorization can be captured using simple mathematical norms. Our results point to the possibility that the language of standard regularizers may not be rich enough to fully encompass the implicit regularization brought forth by gradient-based optimization.

我们检查了在未注册的逻辑回归问题上的梯度下降，并在线性可分离数据集上具有均匀的线性预测指标。我们显示了预测变量收敛到最大边缘（硬边缘SVM）解决方案的方向。结果还推广到其他单调的损失函数，在无穷大时降低了损失功能，多级问题，并在某个受限的环境中训练在深网中的重量层。此外，我们表明这种融合非常慢，只有在损失本身的融合中的对数。这可以有助于解释即使训练错误为零，并且训练损失非常小，并且正如我们所显示的，即使验证损失增加了，也可以继续优化逻辑或跨透明度损失的好处。我们的方法还可以帮助理解隐式正则化n更复杂的模型以及其他优化方法。

神经崩溃的概念是指在各种规范分类问题中经验观察到的几种新兴现象。在训练深度神经网络的终端阶段，同一类的所有示例的特征嵌入往往会崩溃为单一表示，而不同类别的特征往往会尽可能分开。通常通过简化的模型（称为无约束的特征表示）来研究神经崩溃，其中假定模型具有“无限表达性”，并且可以将每个数据点映射到任何任意表示。在这项工作中，我们提出了不受约束的功能表示的更现实的变体，该变体考虑到了网络的有限表达性。经验证据表明，嘈杂数据点的记忆导致神经崩溃的降解（扩张）。使用记忆 - 稀释（M-D）现象的模型，我们展示了一种机制，通过该机制，不同的损失导致嘈杂数据上受过训练的网络的不同性能。我们的证据揭示了为什么标签平滑性（经验观察到产生正则化效果的跨凝性的修改）导致分类任务的概括改善的原因。

批准方法，例如批处理[Ioffe和Szegedy，2015]，体重[Salimansand Kingma，2016]，实例[Ulyanov等，2016]和层归一化[Baet al。，2016]已广泛用于现代机器学习中。在这里，我们研究了体重归一化方法（WN）方法[Salimans和Kingma，2016年]，以及一种称为重扎式投影梯度下降（RPGD）的变体，用于过多散热性最小二乘回归。 WN和RPGD用比例G和一个单位向量W重新绘制权重，因此目标函数变为非convex。我们表明，与原始目标的梯度下降相比，这种非凸式配方具有有益的正则化作用。这些方法适应性地使重量正规化并收敛于最小L2规范解决方案，即使初始化远非零。对于G和W的某些步骤，我们表明它们可以收敛于最小规范解决方案。这与梯度下降的行为不同，梯度下降的行为仅在特征矩阵范围内的一个点开始时才收敛到最小规范解，因此对初始化更敏感。

我们开发了快速算法和可靠软件，以凸出具有Relu激活功能的两层神经网络的凸优化。我们的工作利用了标准的重量罚款训练问题作为一组组-YELL_1 $调查的数据本地模型的凸重新印度，其中局部由多面体锥体约束强制执行。在零规范化的特殊情况下，我们表明此问题完全等同于凸“ Gated Relu”网络的不受约束的优化。对于非零正则化的问题，我们表明凸面式relu模型获得了RELU训练问题的数据依赖性近似范围。为了优化凸的重新制定，我们开发了一种加速的近端梯度方法和实用的增强拉格朗日求解器。我们表明，这些方法比针对非凸问题（例如SGD）和超越商业内部点求解器的标准训练启发式方法要快。在实验上，我们验证了我们的理论结果，探索组-ELL_1 $正则化路径，并对神经网络进行比例凸的优化，以在MNIST和CIFAR-10上进行图像分类。

在本文中，我们遵循Eftekhari的工作，为深线性网络提供非局部收敛性分析。具体地，我们考虑优化具有在二次损耗下具有一个神经元的层的深度线性网络。我们描述了在梯度流动下具有任意起点的轨迹的收敛点，包括将其收敛到鞍点或原始点之一的路径。我们还显示了通过阶段收敛到全球最小化器的轨迹的特定收敛速度。为实现这些结果，本文主要延伸了Eftekhari的工作中的机器，以证明秩稳定集和全球最小化器会聚集。我们还提供具体示例以表明我们定义的必要性。据我们所知，我们的结果似乎是第一个从任意初始化点给出线性神经网络的非本地全球分析，而不是借导于神经网络文献，并限制良性培训制度Eftekhari工作中的初始化。我们还注意到，在没有一个隐藏的神经元假设的情况下将结果扩展到一般线性网络，仍然是一个具有挑战性的公开问题。

找到给定矩阵的独特低维分解的问题是许多领域的基本和经常发生的问题。在本文中，我们研究了寻求一个唯一分解的问题，以\ mathbb {r} ^ {p \ times n} $ in \ mathbb {p \ time n} $。具体来说，我们考虑$ y = ax \ in \ mathbb {r} ^ {p \ time n} $，其中矩阵$ a \ in \ mathbb {r} ^ {p \ times r} $具有全列等级，带有$ r <\ min \ {n，p \} $，矩阵$ x \ in \ mathbb {r} ^ {r \ times n} $是元素 - 方向稀疏。我们证明，可以唯一确定$ y $的稀疏分解，直至某些内在签名排列。我们的方法依赖于解决在单位球体上限制的非凸优化问题。我们对非透露优化景观的几何分析表明，任何{\ em strict}本地解决方案靠近地面真相解决方案，可以通过任何二阶序列算法遵循的简单数据驱动初始化恢复。最后，我们用数值实验证实了这些理论结果。

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 $）。