在自然界中，对称治理规律，而对称打破纹理。在人工神经网络中，对称性是一种中央设计原则，可以在世界上有效地捕获规律，但对称性破裂的作用并不充分理解。在这里，我们开发了一个理论框架，用于研究神经网络中的“学习动态几何”，并揭示了现代神经网络效率和稳定性的明确对称性的关键机制。为了构建这种理解，我们使用连续时间拉格朗日制剂模拟梯度下降的离散学习动态，其中学习规则对应于动能，并且损耗函数对应于势能。然后，我们识别“动力学对称性破坏”（KSB），当动能明确地破坏潜在功能的对称性时的条件。我们概括了物理中已知的定理，以考虑KSB，并导致Noether费用的结果：“Noether的学习动态”（NLD）。最后，我们将NLD应用于具有归一化层的神经网络，并揭示了KSB如何引入“隐式自适应优化”的机制，建立由归一化层和RMSProp引起的学习动态之间的类比。总体而言，通过拉格朗日力学的镜头，我们建立了一个理论基础，以发现神经网络的学习动态的几何设计原则。

在这项工作中，我们探讨了随机梯度下降（SGD）训练的深神经网络的限制动态。如前所述，长时间的性能融合，网络继续通过参数空间通过一个异常扩散的过程，其中距离在具有非活动指数的梯度更新的数量中增加距离。我们揭示了优化的超公数，梯度噪声结构之间的复杂相互作用，以及在训练结束时解释这种异常扩散的Hessian矩阵。为了构建这种理解，我们首先为SGD推导出一个连续时间模型，具有有限的学习速率和批量尺寸，作为欠下的Langevin方程。我们在线性回归中研究了这个方程，我们可以为参数的相位空间动态和它们的瞬时速度来得出精确的分析表达式，从初始化到实用性。使用Fokker-Planck方程，我们表明驾驶这些动态的关键成分不是原始的训练损失，而是修改的损失的组合，其隐含地规则地规范速度和概率电流，这导致相位空间中的振荡。我们在ImageNet培训的Reset-18模型的动态中确定了这种理论的定性和定量预测。通过统计物理的镜头，我们揭示了SGD培训的深神经网络的异常限制动态的机制来源。

机器学习中的许多新的发展都与基于梯度的优化方法相连。最近，已经使用变分透视研究了这些方法。这已经开辟了使用几何集成引入变分和辛方法的可能性。特别是，在本文中，我们引入了变分集成商，使我们能够导出不同的优化方法。使用汉密尔顿和拉格朗日 - 德尔尔堡的原则，我们在一对一的对应中获得了两个各自的优化方法的一个家庭，即概括Polyak的厚球和众所周知的Nesterov加速梯度方法，其中第二个是模仿行为的第二个对应首先减少经典动量方法的振荡。然而，由于考虑的系统是明确时间依赖的，因此自主系统的杂交的保存仅在这里发生在纤维上。几个实验举例说明结果。

我们提供了概率分布的Riemannian歧管上的经典力学的信息几何公式，该分布是具有双翼连接的仿射歧管。在非参数形式主义中，我们考虑了有限的样本空间上的全套正概率函数，并以统计歧管上的切线和cotangent空间为特定的表达式提供了一种，就希尔伯特束结构而言，我们称之统计捆绑包。在这种情况下，我们使用规范双对的平行传输来计算一维统计模型的速度和加速度，并在束上定义了Lagrangian和Hamiltonian力学的连贯形式主义。最后，在一系列示例中，我们展示了我们的形式主义如何为概率单纯性加速自然梯度动力学提供一个一致的框架，为在优化，游戏理论和神经网络中的直接应用铺平了道路。

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。

我们在强烈混合（混乱）方面基于能源持续的哈密顿动力学进行了优化的新框架，并在分析和数值上建立其关键特性。该原型是对出生式动力学的离散化，取决于目标函数，其平方相对速度限制。这类无摩擦，节能优化器毫不动摇地进行，直到自然放慢速度在最小的损失附近，这主要是系统的相位空间体积。我们从对动力台球等混乱系统的研究构建，我们制定了一种特定的算法，在机器学习和解决PDE解决任务（包括概括）方面具有良好的性能。它不能以高的局部最低限度停止，这是非凸损失功能的优势，并且比浅谷中的GD+动量更快。

最近，与神经网络的时间相关微分方程的解决方案最近引起了很多关注。核心思想是学习控制解决方案从数据演变的法律，该数据可能会被随机噪声污染。但是，与其他机器学习应用相比，通常对手头的系统了解很多。例如，对于许多动态系统，诸如能量或（角度）动量之类的物理量是完全保守的。因此，神经网络必须从数据中学习这些保护定律，并且仅由于有限的训练时间和随机噪声而被满足。在本文中，我们提出了一种替代方法，该方法使用Noether的定理将保护定律本质地纳入神经网络的体系结构。我们证明，这可以更好地预测三个模型系统：在三维牛顿引力潜能中非偏见粒子的运动，Schwarzschild指标中庞大的相对论粒子的运动和两个相互作用的粒子在四个相互作用的粒子系统中的运动方面。

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。

在本章中，我们确定了基本的几何结构，这些几何结构是采样，优化，推理和自适应决策问题的基础。基于此识别，我们得出了利用这些几何结构来有效解决这些问题的算法。我们表明，在这些领域中自然出现了广泛的几何理论，范围从测量过程，信息差异，泊松几何和几何整合。具体而言，我们解释了（i）如何利用汉密尔顿系统的符合性几何形状，使我们能够构建（加速）采样和优化方法，（ii）希尔伯特亚空间和Stein操作员的理论提供了一种通用方法来获得可靠的估计器，（iii）（iii）（iii）保留决策的信息几何形状会产生执行主动推理的自适应剂。在整个过程中，我们强调了这些领域之间的丰富联系。例如，推论借鉴了抽样和优化，并且自适应决策通过推断其反事实后果来评估决策。我们的博览会提供了基本思想的概念概述，而不是技术讨论，可以在本文中的参考文献中找到。

平衡系统是表达神经计算的有力方法。作为特殊情况，它们包括对神经科学和机器学习的最新兴趣模型，例如平衡复发性神经网络，深度平衡模型或元学习。在这里，我们提出了一个新的原则，用于学习具有时间和空间本地规则的此类系统。我们的原理将学习作为一个最不控制的问题，我们首先引入一个最佳控制器，以将系统带入解决方案状态，然后将学习定义为减少达到这种状态所需的控制量。我们表明，将学习信号纳入动力学作为最佳控制可以以先前未知的方式传输信用分配信息，避免将中间状态存储在内存中，并且不依赖无穷小的学习信号。在实践中，我们的原理可以使基于梯度的学习方法的强大绩效匹配，该方法应用于涉及复发性神经网络和元学习的一系列问题。我们的结果阐明了大脑如何学习并提供解决广泛的机器学习问题的新方法。

我们分析了通过梯度流通过自洽动力场理论训练的无限宽度神经网络中的特征学习。我们构建了确定性动力学阶参数的集合，该参数是内部产物内核，用于在成对的时间点中，每一层中隐藏的单位激活和梯度，从而减少了通过训练对网络活动的描述。这些内核顺序参数共同定义了隐藏层激活分布，神经切线核的演变以及因此输出预测。我们表明，现场理论推导恢复了从Yang和Hu（2021）获得张量程序的无限宽度特征学习网络的递归随机过程。对于深线性网络，这些内核满足一组代数矩阵方程。对于非线性网络，我们提供了一个交替的采样过程，以求助于内核顺序参数。我们提供了与各种近似方案的自洽解决方案的比较描述。最后，我们提供了更现实的设置中的实验，这些实验表明，在CIFAR分类任务上，在不同宽度上保留了CNN的CNN的损耗和内核动力学。

We introduce a class of first-order methods for smooth constrained optimization that are based on an analogy to non-smooth dynamical systems. Two distinctive features of our approach are that (i) projections or optimizations over the entire feasible set are avoided, in stark contrast to projected gradient methods or the Frank-Wolfe method, and (ii) iterates are allowed to become infeasible, which differs from active set or feasible direction methods, where the descent motion stops as soon as a new constraint is encountered. The resulting algorithmic procedure is simple to implement even when constraints are nonlinear, and is suitable for large-scale constrained optimization problems in which the feasible set fails to have a simple structure. The key underlying idea is that constraints are expressed in terms of velocities instead of positions, which has the algorithmic consequence that optimizations over feasible sets at each iteration are replaced with optimizations over local, sparse convex approximations. In particular, this means that at each iteration only constraints that are violated are taken into account. The result is a simplified suite of algorithms and an expanded range of possible applications in machine learning.

In this thesis, we consider two simple but typical control problems and apply deep reinforcement learning to them, i.e., to cool and control a particle which is subject to continuous position measurement in a one-dimensional quadratic potential or in a quartic potential. We compare the performance of reinforcement learning control and conventional control strategies on the two problems, and show that the reinforcement learning achieves a performance comparable to the optimal control for the quadratic case, and outperforms conventional control strategies for the quartic case for which the optimal control strategy is unknown. To our knowledge, this is the first time deep reinforcement learning is applied to quantum control problems in continuous real space. Our research demonstrates that deep reinforcement learning can be used to control a stochastic quantum system in real space effectively as a measurement-feedback closed-loop controller, and our research also shows the ability of AI to discover new control strategies and properties of the quantum systems that are not well understood, and we can gain insights into these problems by learning from the AI, which opens up a new regime for scientific research.

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？

Conventional wisdom in deep learning states that increasing depth improves expressiveness but complicates optimization. This paper suggests that, sometimes, increasing depth can speed up optimization. The effect of depth on optimization is decoupled from expressiveness by focusing on settings where additional layers amount to overparameterization -linear neural networks, a wellstudied model. Theoretical analysis, as well as experiments, show that here depth acts as a preconditioner which may accelerate convergence. Even on simple convex problems such as linear regression with p loss, p > 2, gradient descent can benefit from transitioning to a non-convex overparameterized objective, more than it would from some common acceleration schemes. We also prove that it is mathematically impossible to obtain the acceleration effect of overparametrization via gradients of any regularizer.

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。

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 $。

过去几年目睹了在深入学习框架中纳入物理知识的归纳偏见的兴趣增加。特别地，越来越多的文献一直在探索实施能节能的方式，同时使用来自观察时间序列数据的神经网络来学习动态的神经网络。在这项工作中，我们调查了最近提出的节能神经网络模型，包括HNN，LNN，DELAN，SYMODEN，CHNN，CLNN及其变体。我们提供了这些模型背后的理论的紧凑级，并解释了他们的相似之处和差异。它们的性能在4个物理系统中进行了比较。我们指出了利用一些这些节能模型来设计基于能量的控制器的可能性。

梯度下降可能令人惊讶地擅长优化深层神经网络，而不会过度拟合并且没有明确的正则化。我们发现，梯度下降的离散步骤通过惩罚具有较大损耗梯度的梯度下降轨迹来隐式化模型。我们称之为隐式梯度正则化（IGR），并使用向后错误分析来计算此正则化的大小。我们从经验上确认，隐式梯度正则化偏向梯度下降到平面最小值，在该较小情况下，测试误差很小，溶液对嘈杂的参数扰动是可靠的。此外，我们证明了隐式梯度正规化项可以用作显式正常化程序，从而使我们能够直接控制此梯度正则化。从更广泛的角度来看，我们的工作表明，向后错误分析是一种有用的理论方法，即对学习率，模型大小和参数正则化如何相互作用以确定用梯度下降优化的过度参数化模型的属性。

深度学习归一化技术的基本特性，例如批准归一化，正在使范围前的参数量表不变。此类参数的固有域是单位球，因此可以通过球形优化的梯度优化动力学以不同的有效学习率（ELR）来表示，这是先前研究的。在这项工作中，我们使用固定的ELR直接研究了训练量表不变的神经网络的特性。我们根据ELR值发现了这种训练的三个方案：收敛，混乱平衡和差异。我们详细研究了这些制度示例的理论检查，以及对真实规模不变深度学习模型的彻底经验分析。每个制度都有独特的特征，并反映了内在损失格局的特定特性，其中一些与先前对常规和规模不变的神经网络培训的研究相似。最后，我们证明了如何在归一化网络的常规培训以及如何利用它们以实现更好的Optima中反映发现的制度。