这项工作研究了基于梯度的算法的现有理论分析与训练深神经网络的实践之间的深刻断开。具体而言，我们提供了数值证据，表明在大规模神经网络训练（例如Imagenet + Resnet101和WT103 + Transformerxl模型）中，神经网络的权重不会融合到损失的梯度为零的固定点。然而，值得注意的是，我们观察到，即使权重不融合到固定点，最小化损耗函数的进展和训练损失稳定下来。受到这一观察的启发，我们提出了一种基于动力学系统的千古理论来解释它的新观点。我们没有研究权重演化，而是研究权重分布的演变。我们证明了权重分布到近似不变的度量，从而解释了训练损失如何稳定而无需重合到固定点。我们进一步讨论了这种观点如何更好地调整优化理论与机器学习实践中的经验观察。

（随机）梯度下降的大多数现有分析都取决于$ l $ smorth成本的条件，步骤尺寸小于$ 2/l $。但是，许多作品观察到，在机器学习中，阶梯尺寸通常无法满足这种情况，但（随机）梯度下降仍在收敛，尽管以不稳定的方式。我们从第一原则研究了这种不稳定的收敛现象，并讨论其背后的关键原因。我们还确定了其主要特征，以及它们如何基于理论和实验相互关联，为理解现象提供了有原则的观点。

引入了归一化层（例如，批处理归一化，层归一化），以帮助在非常深的网中获得优化困难，但它们显然也有助于概括，即使在不太深入的网中也是如此。由于长期以来的信念，即最小的最小值导致更好的概括，本文提供了数学分析和支持实验，这表明归一化（与伴随的重量赛一起）鼓励GD降低损失表面的清晰度。鉴于损失是标准不变的，这是标准化的已知结果，因此仔细地定义了“清晰度”。具体而言，对于具有归一化的相当广泛的神经网类，我们的理论解释了有限学习率的GD如何进入所谓的稳定边缘（EOS）制度，并通过连续的清晰度来表征GD的轨迹 - 还原流。

深度学习的概括分析通常假定训练会收敛到固定点。但是，最近的结果表明，实际上，用随机梯度下降优化的深神经网络的权重通常无限期振荡。为了减少理论和实践之间的这种差异，本文着重于神经网络的概括，其训练动力不一定会融合到固定点。我们的主要贡献是提出一个统计算法稳定性（SAS）的概念，该算法将经典算法稳定性扩展到非convergergent算法并研究其与泛化的联系。与传统的优化和学习理论观点相比，这种崇高的理论方法可导致新的见解。我们证明，学习算法的时间复杂行为的稳定性与其泛化有关，并在经验上证明了损失动力学如何为概括性能提供线索。我们的发现提供了证据表明，即使训练无限期继续并且权重也不会融合，即使训练持续进行训练，训练更好地概括”的网络也是如此。

与SGD相比，Adam等自适应梯度方法允许对现代深层网络（尤其是大型语言模型）进行强有力的培训。但是，适应性的使用不仅是为了额外的记忆，而且还提出了一个基本问题：SGD等非自适应方法可以享受类似的好处吗？在本文中，我们通过提议通过以下一般配方提议实现健壮和记忆效率的培训来为这个问题提供肯定的答案：（1）修改体系结构并使IT规模不变，即参数规模不影响。网络的输出，（2）使用SGD和重量衰减的训练，以及（3）剪辑全局梯度标准与重量标准成比例成正比，乘以$ \ sqrt {\ tfrac {\ tfrac {2 \ lambda} {\ eta}} {\ eta}}} $， $ \ eta $是学习率，而$ \ lambda $是权重腐烂。我们表明，这种一般方法是通过证明其收敛性仅取决于初始化和损失的规模来重新恢复参数和丢失的强大，而标准SGD甚至可能不会收敛许多初始化。在我们的食谱之后，我们设计了一个名为Sibert的Bert版本的比例不变版本，该版本仅由Vanilla SGD进行训练时，可以实现与Bert在下游任务中受过自适应方法训练的BERT相当的性能。

We show that parametric models trained by a stochastic gradient method (SGM) with few iterations have vanishing generalization error. We prove our results by arguing that SGM is algorithmically stable in the sense of Bousquet and Elisseeff. Our analysis only employs elementary tools from convex and continuous optimization. We derive stability bounds for both convex and non-convex optimization under standard Lipschitz and smoothness assumptions.Applying our results to the convex case, we provide new insights for why multiple epochs of stochastic gradient methods generalize well in practice. In the non-convex case, we give a new interpretation of common practices in neural networks, and formally show that popular techniques for training large deep models are indeed stability-promoting. Our findings conceptually underscore the importance of reducing training time beyond its obvious benefit.

在机器学习中，随机梯度下降（SGD）被广泛部署到使用具有同样复杂噪声模型的高度非凸目标的训练模型。不幸的是，SGD理论通常会做出限制性的假设，这些假设无法捕获实际问题的非跨性别，并且几乎完全忽略了实践中存在的复杂噪声模型。在这项工作中，我们在这一缺点上取得了长足的进步。首先，我们确定SGD的迭代将在几乎任意的非概念和噪声模型下全球收敛到固定点或分歧。在对文献中当前假设的非跨性别和噪声模型的共同行为的限制性稍微限制性的假设下，我们表明，即使迭代分歧，目标函数也无法分歧。由于我们的结果，可以将SGD应用于更大范围的随机优化问题，并在其全球收敛行为和稳定性上充满信心。

最近，随机梯度下降（SGD）及其变体已成为机器学习（ML）问题大规模优化的主要方法。已经提出了各种策略来调整步骤尺寸，从自适应步骤大小到启发式方法，以更改每次迭代中的步骤大小。此外，动力已被广泛用于ML任务以加速训练过程。然而，我们对它们的理论理解存在差距。在这项工作中，我们开始通过为一些启发式优化方法提供正式保证并提出改进的算法来缩小这一差距。首先，我们分析了凸面和非凸口设置的Adagrad（延迟Adagrad）步骤大小的广义版本，这表明这些步骤尺寸允许算法自动适应随机梯度的噪声水平。我们首次显示延迟Adagrad的足够条件，以确保梯度几乎融合到零。此外，我们对延迟的Adagrad及其在非凸面设置中的动量变体进行了高概率分析。其次，我们用指数级和余弦的步骤分析了SGD，在经验上取得了成功，但缺乏理论支持。我们在平滑和非凸的设置中为它们提供了最初的收敛保证，有或没有polyak-{\ l} ojasiewicz（pl）条件。我们还显示了它们在PL条件下适应噪声的良好特性。第三，我们研究动量方法的最后迭代。我们证明了SGD的最后一个迭代的凸设置中的第一个下限，并以恒定的动量。此外，我们研究了一类跟随基于领先的领导者的动量算法，并随着动量和收缩的更新而增加。我们表明，他们的最后一个迭代具有最佳的收敛性，用于无约束的凸随机优化问题。

清晰度感知最小化（SAM）是一种最近的训练方法，它依赖于最严重的重量扰动，可显着改善各种环境中的概括。我们认为，基于pac-bayes概括结合的SAM成功的现有理由，而收敛到平面最小值的想法是不完整的。此外，没有解释说在SAM中使用$ m $ sharpness的成功，这对于概括而言至关重要。为了更好地理解SAM的这一方面，我们理论上分析了其对角线性网络的隐式偏差。我们证明，SAM总是选择一种比标准梯度下降更好的解决方案，用于某些类别的问题，并且通过使用$ m $ -sharpness可以放大这种效果。我们进一步研究了隐性偏见在非线性网络上的特性，在经验上，我们表明使用SAM进行微调的标准模型可以导致显着的概括改进。最后，当与随机梯度一起使用时，我们为非凸目标提供了SAM的收敛结果。我们从经验上说明了深层网络的这些结果，并讨论了它们与SAM的概括行为的关系。我们的实验代码可在https://github.com/tml-epfl/understanding-sam上获得。

Existing analyses of neural network training often operate under the unrealistic assumption of an extremely small learning rate. This lies in stark contrast to practical wisdom and empirical studies, such as the work of J. Cohen et al. (ICLR 2021), which exhibit startling new phenomena (the "edge of stability" or "unstable convergence") and potential benefits for generalization in the large learning rate regime. Despite a flurry of recent works on this topic, however, the latter effect is still poorly understood. In this paper, we take a step towards understanding genuinely non-convex training dynamics with large learning rates by performing a detailed analysis of gradient descent for simplified models of two-layer neural networks. For these models, we provably establish the edge of stability phenomenon and discover a sharp phase transition for the step size below which the neural network fails to learn "threshold-like" neurons (i.e., neurons with a non-zero first-layer bias). This elucidates one possible mechanism by which the edge of stability can in fact lead to better generalization, as threshold neurons are basic building blocks with useful inductive bias for many tasks.

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。

鉴于Vanilla SGD的直接简单，本文在迷你批处理箱中提供了精细调整其阶梯尺寸。为了这样做，基于局部二次模型并仅使用嘈杂的梯度近似来估计曲率。一个人获得一种新的随机第一阶方法（步骤调谐的SGD），由二阶信息增强，这可以被视为古典Barzilai-Borwein方法的随机版本。我们的理论结果确保了几乎肯定的趋同集，我们提供了收敛速率。深度剩余网络培训的实验说明了我们方法的有利性质。对于我们在培训期间观察到的网络，突然下降的损失和中等阶段的测试精度的提高，产生比SGD，RMSPROP或ADAM更好的结果。

非凸优化的传统分析通常取决于平滑度的假设，即要求梯度为Lipschitz。但是，最近的证据表明，这种平滑度条件并未捕获一些深度学习目标功能的特性，包括涉及复发性神经网络和LSTM的函数。取而代之的是，他们满足了更轻松的状况，并具有潜在的无界光滑度。在这个轻松的假设下，从理论和经验上表明，倾斜的SGD比香草具有优势。在本文中，我们表明，在解决此类情况时，剪辑对于ADAM型算法是不可或缺的：从理论上讲，我们证明了广义标志GD算法可以获得与带有剪辑的SGD相似的收敛速率，但根本不需要显式剪辑。一端的这个算法家族恢复了符号，另一端与受欢迎的亚当算法非常相似。我们的分析强调了动量在分析符号类型和ADAM型算法中发挥作用的关键作用：它不仅降低了噪声的影响，因此在先前的符号分析中消除了大型迷你批次的需求显着降低了无界平滑度和梯度规范的影响。我们还将这些算法与流行的优化器进行了比较，在一组深度学习任务上，观察到我们可以在击败其他人的同时匹配亚当的性能。

我们研究基于梯度的随机近似问题的甲骨文复杂性。尽管在许多设置中，最佳算法和紧密的下界因这些问题而闻名，但在实践中使用时，这些最佳算法并不能达到最佳性能。我们通过关注实例依赖性复杂性而不是最坏情况的复杂性来解决这个理论实践差距。特别是，我们首先总结了已知的实例依赖性复杂性结果，并将它们分为三个级别。我们确定不同级别之间的支配关系，并提出了主导现有的第四个实例依赖性界限。然后，我们提供了足够的条件，根据该条件，具有时刻估计的自适应算法可以在不知道噪声水平的情况下达到拟议的结合。我们提出的算法及其分析为矩估计的成功提供了理论上的理由，因为它可以提高实例复杂性。

我们使用高斯过程扰动模型在高维二次上的真实和批量风险表面之间的高斯过程扰动模型分析和解释迭代平均的泛化性能。我们从我们的理论结果中获得了三个现象\姓名：}（1）将迭代平均值（ia）与大型学习率和正则化进行了改进的正规化的重要性。 （2）对较少频繁平均的理由。 （3）我们预计自适应梯度方法同样地工作，或者更好，而不是其非自适应对应物的迭代平均值。灵感来自这些结果\姓据{，一起与}对迭代解决方案多样性的适当正则化的重要性，我们提出了两个具有迭代平均的自适应算法。与随机梯度下降（SGD）相比，这些结果具有明显更好的结果，需要较少调谐并且不需要早期停止或验证设定监视。我们在各种现代和古典网络架构上展示了我们对CiFar-10/100，Imagenet和Penn TreeBank数据集的方法的疗效。

培训具有批量标准化和重量衰减的神经网络已成为近年来的常见做法。在这项工作中，我们表明它们的结合使用可能导致优化动态的令人惊讶的周期性行为：培训过程定期表现出稳定，然而，不会导致完全发散但导致新的培训期。我们严格研究了从经验和理论观点的发现的定期行为基础的机制，并分析了实践中发生的条件。我们还证明，周期性行为可以被视为在批量归一化和体重衰减的训练中进行两种先前反对的视角的概括，即平衡推定和不稳定的推定。

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。

Cohen等人的深度学习实验。 [2021]使用确定性梯度下降（GD）显示学习率（LR）和清晰度（即Hessian最大的特征值）的稳定边缘（EOS）阶段不再像传统优化一样行为。清晰度稳定在$ 2/$ LR的左右，并且在迭代中损失不断上下，但仍有整体下降趋势。当前的论文数学分析了EOS阶段中隐式正则化的新机制，因此，由于非平滑损失景观而导致的GD更新沿着最小损失的多种流量进行了一些确定性流程发展。这与许多先前关于隐式偏差依靠无限更新或梯度中的噪声的结果相反。正式地，对于具有某些规律性条件的任何平滑函数$ l $，对于（1）标准化的GD，即具有不同的lr $ \ eta_t = \ frac {\ eta} {||的GD证明了此效果。 \ nabla l（x（t））||} $和损失$ l $; （2）具有常数LR和损失$ \ sqrt {l- \ min_x l（x）} $的GD。两者都可以证明进入稳定性的边缘，在歧管上相关的流量最小化$ \ lambda_ {1}（\ nabla^2 l）$。一项实验研究证实了上述理论结果。

Batch Normalization (BatchNorm) is a widely adopted technique that enables faster and more stable training of deep neural networks (DNNs). Despite its pervasiveness, the exact reasons for BatchNorm's effectiveness are still poorly understood. The popular belief is that this effectiveness stems from controlling the change of the layers' input distributions during training to reduce the so-called "internal covariate shift". In this work, we demonstrate that such distributional stability of layer inputs has little to do with the success of BatchNorm. Instead, we uncover a more fundamental impact of BatchNorm on the training process: it makes the optimization landscape significantly smoother. This smoothness induces a more predictive and stable behavior of the gradients, allowing for faster training.

我们研究了使用尖刺，现场依赖的随机矩阵理论研究迷你批次对深神经网络损失景观的影响。我们表明，批量黑森州的极值值的大小大于经验丰富的黑森州。我们还获得了类似的结果对Hessian的概括高斯牛顿矩阵近似。由于我们的定理，我们推导出作为批量大小的最大学习速率的分析表达式，为随机梯度下降（线性缩放）和自适应算法（例如ADAM（Square Root Scaling）提供了通知实际培训方案，例如光滑，非凸深神经网络。虽然随机梯度下降的线性缩放是在我们概括的更多限制性条件下导出的，但是适应优化者的平方根缩放规则是我们的知识，完全小说。随机二阶方法和自适应方法的百分比，我们得出了最小阻尼系数与学习率与批量尺寸的比率成比例。我们在Cifar-$ 100 $和ImageNet数据集上验证了我们的VGG / WimerEsnet架构上的索赔。根据我们对象检的调查，我们基于飞行学习率和动量学习者开发了一个随机兰齐齐竞争，这避免了对这些关键的超参数进行昂贵的多重评估的需求，并在预残留的情况下显示出良好的初步结果Cifar的architecure - $ 100 $。