为了阐明消失梯度引起的平台现象，我们在本文中分析了多层的渐变子空间附近的随机梯度下降的稳定性。在Fukumizu-Amari模型的随机梯度下降中，这是呈现非琐碎的高原现象的最小多层摄影，我们表明（1）吸引地区存在于繁殖的子空间中，（2）强大的平台现象作为噪音出现 - 在确定性梯度下降中未观察到的同步，（3）存在最佳波动，以最小化退化子空间的逃生时间。预计本文观察到的噪声引起的变性将在广泛的机器学习中找到通过神经网络。

低维歧管假设认为，在许多应用中发现的数据，例如涉及自然图像的数据（大约）位于嵌入高维欧几里得空间中的低维歧管上。在这种情况下，典型的神经网络定义了一个函数，该函数在嵌入空间中以有限数量的向量作为输入。但是，通常需要考虑在训练分布以外的点上评估优化网络。本文考虑了培训数据以$ \ mathbb r^d $的线性子空间分配的情况。我们得出对由神经网络定义的学习函数变化的估计值，沿横向子空间的方向。我们研究了数据歧管的编纂中与网络的深度和噪声相关的潜在正则化效应。由于存在噪声，我们还提出了训练中的其他副作用。

经常性神经网络（RNNS）是强大的动态模型，广泛用于机器学习（ML）和神经科学。之前的理论作品集中在具有添加剂相互作用的RNN上。然而，门控 - 即乘法 - 相互作用在真神经元中普遍存在，并且也是ML中最佳性能RNN的中心特征。在这里，我们表明Gating提供灵活地控制集体动态的两个突出特征：i）时间尺寸和ii）维度。栅极控制时间尺度导致新颖的稳定状态，网络用作灵活积分器。与以前的方法不同，Gating允许这种重要功能而没有参数微调或特殊对称。门还提供一种灵活的上下文相关机制来重置存储器跟踪，从而补充存储器功能。调制维度的栅极可以诱导新颖的不连续的混沌转变，其中输入将稳定的系统推向强的混沌活动，与通常稳定的输入效果相比。在这种转变之上，与添加剂RNN不同，关键点（拓扑复杂性）的增殖与混沌动力学的外观解耦（动态复杂性）。丰富的动态总结在相图中，从而为ML从业者提供了一个原理参数初始化选择的地图。

简单的动态模型可以在大型网络中产生复杂的行为。这些行为通常可以在由网络网络捕获的各种物理系统中观察到。在这里，我们描述了一种现象，其中尺寸自始终产生由于动力学不稳定性而产生的力场。这可以被理解为在有效潜力的最小值之间的不稳定（“隆隆声”）隧道机构。我们将该集体和非触发效果成为“Lyapunov力”，即使完整系统具有与系统尺寸指数呈指数呈指数呈指数增长的均衡点的星座，使系统朝向全局最小的潜在功能。我们研究的系统具有简单的映射到流量网络，其等于电流驱动的映像器。该机制在纳米级物理学中对其物理相关性进行了吸引力，以及在优化中可能的应用，新颖的蒙特卡罗方案和机器学习。

Despite the widespread practical success of deep learning methods, our theoretical understanding of the dynamics of learning in deep neural networks remains quite sparse. We attempt to bridge the gap between the theory and practice of deep learning by systematically analyzing learning dynamics for the restricted case of deep linear neural networks. Despite the linearity of their input-output map, such networks have nonlinear gradient descent dynamics on weights that change with the addition of each new hidden layer. We

我们以封闭的形式分析了随机梯度下降（SGD）的学习动态，用于分类每个群集的高位高斯混合的单层神经网络，其中每个群集分配两个标签中的一个。该问题提供了具有内插制度的非凸损景观的原型和大的概括间隙。我们定义了一个特定的随机过程，其中SGD可以扩展到我们称呼随机梯度流的连续时间限制。在全批处理中，我们恢复标准梯度流。我们将动态平均场理论从统计物理应用于通过自成的随机过程跟踪高维极限中算法的动态。我们探讨了算法的性能，作为控制参数脱落灯的函数，它如何导航损耗横向。

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。

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.

许多科学领域需要对复杂系统的时间行为的可靠预测。然而，这种强烈的兴趣是通过建模问题阻碍：通常，描述所考虑的系统物理学的控制方程是不可访问的，或者在已知时，它们的解决方案可能需要与预测时间约束不兼容的计算时间。如今，以通用功能格式近似复杂的系统，并从可用观察中通知IT Nihilo已成为一个常见的做法，如过去几年出现的巨大科学工作所示。许多基于深神经网络的成功示例已经可用，尽管易于忽视了模型和保证边缘的概括性。在这里，我们考虑长期内存神经网络，并彻底调查训练集的影响及其结构对长期预测的质量。利用ergodic理论，我们分析了保证物理系统忠实模型的先验的数据量。我们展示了根据系统不变的培训集的知情设计如何以及潜在的吸引子的结构，显着提高了所产生的模型，在积极学习的背景下开放研究。此外，将说明依赖于存储器能够的模型时内存初始化的非琐碎效果。我们的调查结果为有效数据驱动建模的任何复杂动态系统所需的数量和选择提供了基于证据的良好实践。

在存在白噪声的情况下，在各个科学领域，在存在白噪声的情况下逃脱吸引盆地的平均退出时间至关重要。在这项工作中，我们提出了一种策略，以控制一般随机动力学系统的平均退出时间，以基于准潜电概念和机器学习实现所需的价值。具体而言，我们开发了一个神经网络体系结构来计算全局准次电位函数。然后，我们设计了一种系统的迭代数值算法来计算给定平均退出时间的控制器。此外，我们在有效的汉密尔顿 - 雅各比计划和受过训练的神经网络的帮助下确定了亚稳态吸引子之间的最可能路径。数值实验表明，我们的控制策略是有效且足够准确的。

我们开发一种方法来构造来自表示基本上非线性（或不可连锁的）动态系统的数据集构成低维预测模型，其中具有由有限许多频率的外部强制进行外部矫正的双曲线线性部分。我们的数据驱动，稀疏，非线性模型获得为低维，吸引动力系统的光谱子纤维（SSM）的降低的动态的延长正常形式。我们说明了数据驱动的SSM降低了高维数值数据集的功率和涉及梁振荡，涡旋脱落和水箱中的晃动的实验测量。我们发现，在未加工的数据上培训的SSM减少也在额外的外部强制下准确预测非线性响应。

要了解深层relu网络的动态，我们通过将其分解为级级$ w（t）$ and Angle $ \ phi（t）：= \ pi- \ theta，研究了梯度流量$ W（t）$的动态系统（t）$组件。特别是，对于具有球形对称数据分布和平方损耗函数的多层单晶元神经元，我们为大小和角度成分提供上限和下限，以描述梯度流动的动力学。使用获得的边界，我们得出结论，小规模初始化会导致深单重质神经元的缓慢收敛速度。最后，通过利用梯度流和梯度下降的关系，我们将结果扩展到梯度下降方法。所有理论结果均通过实验验证。

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。

在本文中，我们考虑了与未知（或部分未知），非平稳性，潜在的嘈杂和混乱的时间演变相关的机器学习（ML）任务，以预测临界点过渡和长期尖端行为动力系统。我们专注于特别具有挑战性的情况，在过去的情况下，过去的动态状态时间序列主要是在状态空间的受限区域中，而要预测的行为会在ML未完全观察到的较大状态空间集中演变出来训练期间的模型。在这种情况下，要求ML预测系统能够推断出在训练过程中观察到的不同动态。我们研究了ML方法在多大程度上能够为此任务完成有用的结果以及它们失败的条件。通常，我们发现即使在极具挑战性的情况下，ML方法也出奇地有效，但是（正如人们所期望的）``需要``太多''的外推。基于科学知识的传统建模的ML方法，因此即使单独采取行动时，我们发现的混合预测系统也可以实现有用的预测。我们还发现，实现有用的结果可能需要使用使用非常仔细选择的ML超参数，我们提出了一个超参数优化策略来解决此问题。本文的主要结论是，基于ML （也许是由于临界点的穿越）包括在训练数据探索的集合中的动态。

平衡传播（EP）是返回传播（BP）的替代方法，它允许使用本地学习规则训练深层神经网络。因此，它为训练神经形态系统和了解神经生物学的学习提供了一个令人信服的框架。但是，EP需要无限的教学信号，从而限制其在嘈杂的物理系统中的适用性。此外，该算法需要单独的时间阶段，并且尚未应用于大规模问题。在这里，我们通过将EP扩展到全体形态网络来解决这些问题。我们分析表明，即使对于有限振幅教学信号，这种扩展也会自然导致精确的梯度。重要的是，可以将梯度计算为在连续时间内有限神经元活性振荡的第一个傅立叶系数，而无需单独的阶段。此外，我们在数值模拟中证明了我们的方法允许在存在噪声的情况下对梯度的强大估计，并且更深的模型受益于有限的教学信号。最后，我们在ImageNet 32​​x32数据集上建立了EP的第一个基准，并表明它与接受BP训练的等效网络的性能相匹配。我们的工作提供了分析见解，使EP可以扩展到大规模问题，并为振荡如何支持生物学和神经形态系统的学习建立正式框架。

随机梯度下降（SGD）是深度学习技术的工作主控算法。在训练阶段的每个步骤中，从训练数据集中抽取迷你样本，并且根据该特定示例子集的性能调整神经网络的权重。迷你批量采样过程将随机性动力学引入梯度下降，具有非琐碎的状态依赖性噪声。我们在原型神经网络模型中表征了SGD的随机和最近引入的变体持久性SGD。在占地面定的制度中，在最终训练误差是阳性的情况下，SGD动力学达到静止状态，我们从波动耗散定理定义了从动态平均场理论计算的波动定理的有效温度。我们使用有效温度来量化SGD噪声的幅度作为问题参数的函数。在过度参数化的制度中，在训练错误消失的情况下，我们通过计算系统的两个副本之间的平均距离来测量SGD的噪声幅度，并具有相同的初始化和两个不同的SGD噪声的实现。我们发现这两个噪声测量与问题参数的函数类似。此外，我们观察到嘈杂的算法导致相应的约束满足问题的更广泛的决策边界。

With the development of experimental quantum technology, quantum control has attracted increasing attention due to the realization of controllable artificial quantum systems. However, because quantum-mechanical systems are often too difficult to analytically deal with, heuristic strategies and numerical algorithms which search for proper control protocols are adopted, and, deep learning, especially deep reinforcement learning (RL), is a promising generic candidate solution for the control problems. Although there have been a few successful applications of deep RL to quantum control problems, most of the existing RL algorithms suffer from instabilities and unsatisfactory reproducibility, and require a large amount of fine-tuning and a large computational budget, both of which limit their applicability. To resolve the issue of instabilities, in this dissertation, we investigate the non-convergence issue of Q-learning. Then, we investigate the weakness of existing convergent approaches that have been proposed, and we develop a new convergent Q-learning algorithm, which we call the convergent deep Q network (C-DQN) algorithm, as an alternative to the conventional deep Q network (DQN) algorithm. We prove the convergence of C-DQN and apply it to the Atari 2600 benchmark. We show that when DQN fail, C-DQN still learns successfully. Then, we apply the algorithm to the measurement-feedback cooling problems of a quantum quartic oscillator and a trapped quantum rigid body. We establish the physical models and analyse their properties, and we show that although both C-DQN and DQN can learn to cool the systems, C-DQN tends to behave more stably, and when DQN suffers from instabilities, C-DQN can achieve a better performance. As the performance of DQN can have a large variance and lack consistency, C-DQN can be a better choice for researches on complicated control problems.

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。

Koopman运算符是无限维的运算符，可全球线性化非线性动态系统，使其光谱信息可用于理解动态。然而，Koopman运算符可以具有连续的光谱和无限维度的子空间，使得它们的光谱信息提供相当大的挑战。本文介绍了具有严格融合的数据驱动算法，用于从轨迹数据计算Koopman运算符的频谱信息。我们引入了残余动态模式分解（ResDMD），它提供了第一种用于计算普通Koopman运算符的Spectra和PseudtoStra的第一种方案，无需光谱污染。使用解析器操作员和RESDMD，我们还计算与测量保存动态系统相关的光谱度量的平滑近似。我们证明了我们的算法的显式收敛定理，即使计算连续频谱和离散频谱的密度，也可以实现高阶收敛即使是混沌系统。我们展示了在帐篷地图，高斯迭代地图，非线性摆，双摆，洛伦茨系统和11美元延长洛伦兹系统的算法。最后，我们为具有高维状态空间的动态系统提供了我们的算法的核化变体。这使我们能够计算与具有20,046维状态空间的蛋白质分子的动态相关的光谱度量，并计算出湍流流过空气的误差界限的非线性Koopman模式，其具有雷诺数为$> 10 ^ 5 $。一个295,122维的状态空间。

深度神经网络和其他现代机器学习模型的培训通常包括解决高维且受大规模数据约束的非凸优化问题。在这里，基于动量的随机优化算法在近年来变得尤其流行。随机性来自数据亚采样，从而降低了计算成本。此外，动量和随机性都应该有助于算法克服当地的最小化器，并希望在全球范围内融合。从理论上讲，这种随机性和动量的结合被糟糕地理解。在这项工作中，我们建议并分析具有动量的随机梯度下降的连续时间模型。该模型是一个分段确定的马尔可夫过程，它通过阻尼不足的动态系统和通过动力学系统的随机切换来代表粒子运动。在我们的分析中，我们研究了长期限制，子采样到无填充采样极限以及动量到非摩托车的限制。我们对随着时间的推移降低动量的情况特别感兴趣：直觉上，动量有助于在算法的初始阶段克服局部最小值，但禁止后来快速收敛到全球最小化器。在凸度的假设下，当降低随时间的动量时，我们显示了动力学系统与全局最小化器的收敛性，并让子采样率转移到无穷大。然后，我们提出了一个稳定的，合成的离散方案，以从我们的连续时间动力学系统中构造算法。在数值实验中，我们研究了我们在凸面和非凸测试问题中的离散方案。此外，我们训练卷积神经网络解决CIFAR-10图像分类问题。在这里，与动量相比，我们的算法与随机梯度下降相比达到了竞争性结果。