Convolutional neural networks have been extremely successful in the image recognition domain because they ensure equivariance to translations. There have been many recent attempts to generalize this framework to other domains, including graphs and data lying on manifolds. In this paper we give a rigorous, theoretical treatment of convolution and equivariance in neural networks with respect to not just translations, but the action of any compact group. Our main result is to prove that (given some natural constraints) convolutional structure is not just a sufficient, but also a necessary condition for equivariance to the action of a compact group. Our exposition makes use of concepts from representation theory and noncommutative harmonic analysis and derives new generalized convolution formulae.

标准情况被出现为对构成组的身份保留转换的物体表示的理想性质，例如翻译和旋转。然而，由组标准规定的表示的表示的表现仍然不完全理解。我们通过提供封面函数计数定理的概括来解决这个差距，这些定理量化了可以分配给物体的等异点的线性可分离和组不变二进制二分层的数量。我们发现可分离二分法的分数由由组动作固定的空间的尺寸决定。我们展示了该关系如何扩展到卷积，元素 - 明智的非线性和全局和本地汇集等操作。虽然其他操作不会改变可分离二分法的分数，但尽管是高度非线性操作，但是局部汇集减少了分数。最后，我们在随机初始化和全培训的卷积神经网络的中间代表中测试了我们的理论，并找到了完美的协议。

小组卷积神经网络（G-CNN）是卷积神经网络（CNN）的概括，通过在其体系结构中明确编码旋转和排列，在广泛的技术应用中脱颖而出。尽管G-CNN的成功是由它们的\ emph {emplapicit}对称偏见驱动的，但最近的一项工作表明，\ emph {隐式}对特定体系结构的偏差是理解过度参数化神经网的概​​括的关键。在这种情况下，我们表明，通过梯度下降训练了二进制分类的$ L $ layer全宽线性G-CNN，将二进制分类收敛到具有低级别傅立叶矩阵系数的解决方案，并由$ 2/l $ -schatten矩阵规范正规化。我们的工作严格概括了先前对线性CNN的隐性偏差对线性G-CNN的隐性分析，包括所有有限组，包括非交换组的挑战性设置（例如排列），以及无限组的频段限制G-CNN 。我们通过在各个组上实验验证定理，并在经验上探索更现实的非线性网络，该网络在局部捕获了相似的正则化模式。最后，我们通过不确定性原理提供了对傅立叶空间隐式正则化的直观解释。

我们在从傅立叶角度得出的同质空间上引入了一个统一的框架。我们解决了卷积层之前和之后的特征场的情况。我们通过利用提起的特征场的傅立叶系数的稀疏性来提出通过傅立叶域的统一推导。当同质空间的稳定子亚组是一个紧凑的谎言组时，稀疏性就会出现。我们进一步通过元素定位元素非线性引入了一种激活方法，并通过均等卷积抬起并投射回现场。我们表明，其他将特征视为稳定器亚组中傅立叶系数的方法是我们激活的特殊情况。$ SO（3）$和$ SE（3）$进行的实验显示了球形矢量场回归，点云分类和分子完成中的最新性能。

A wide range of techniques have been proposed in recent years for designing neural networks for 3D data that are equivariant under rotation and translation of the input. Most approaches for equivariance under the Euclidean group $\mathrm{SE}(3)$ of rotations and translations fall within one of the two major categories. The first category consists of methods that use $\mathrm{SE}(3)$-convolution which generalizes classical $\mathbb{R}^3$-convolution on signals over $\mathrm{SE}(3)$. Alternatively, it is possible to use \textit{steerable convolution} which achieves $\mathrm{SE}(3)$-equivariance by imposing constraints on $\mathbb{R}^3$-convolution of tensor fields. It is known by specialists in the field that the two approaches are equivalent, with steerable convolution being the Fourier transform of $\mathrm{SE}(3)$ convolution. Unfortunately, these results are not widely known and moreover the exact relations between deep learning architectures built upon these two approaches have not been precisely described in the literature on equivariant deep learning. In this work we provide an in-depth analysis of both methods and their equivalence and relate the two constructions to multiview convolutional networks. Furthermore, we provide theoretical justifications of separability of $\mathrm{SE}(3)$ group convolution, which explain the applicability and success of some recent approaches. Finally, we express different methods using a single coherent formalism and provide explicit formulas that relate the kernels learned by different methods. In this way, our work helps to unify different previously-proposed techniques for achieving roto-translational equivariance, and helps to shed light on both the utility and precise differences between various alternatives. We also derive new TFN non-linearities from our equivalence principle and test them on practical benchmark datasets.

我们介绍了CheBlieset，一种对（各向异性）歧管的组成的方法。对基于GRAP和基于组的神经网络的成功进行冲浪，我们利用了几何深度学习领域的最新发展，以推导出一种新的方法来利用数据中的任何各向异性。通过离散映射的谎言组，我们开发由各向异性卷积层（Chebyshev卷积），空间汇集和解凝层制成的图形神经网络，以及全球汇集层。集团的标准因素是通过具有各向异性左不变性的黎曼距离的图形上的等级和不变的运算符来实现的。由于其简单的形式，Riemannian公制可以在空间和方向域中模拟任何各向异性。这种对Riemannian度量的各向异性的控制允许平衡图形卷积层的不变性（各向异性度量）的平衡（各向异性指标）。因此，我们打开大门以更好地了解各向异性特性。此外，我们经验证明了在CIFAR10上的各向异性参数的存在（数据依赖性）甜点。这一关键的结果是通过利用数据中的各向异性属性来获得福利的证据。我们还评估了在STL10（图像数据）和ClimateNet（球面数据）上的这种方法的可扩展性，显示了对不同任务的显着适应性。

线性神经网络层的模棱两可。在这项工作中，我们放宽了肩variance条件，只有在投影范围内才是真实的。特别是，我们研究了投射性和普通的肩那样的关系，并表明对于重要的例子，这些问题实际上是等效的。3D中的旋转组在投影平面上投影起作用。在设计用于过滤2D-2D对应的网络时，我们在实验上研究了旋转肩位的实际重要性。完全模型的模型表现不佳，虽然简单地增加了不变的特征，从而在强大的基线产量中得到了改善，但这似乎并不是由于改善的均衡性。

我们研究了使用动力学系统的流量图相对于输入指数的某些置换的函数的近似值。这种不变的功能包括涉及图像任务的经过研究的翻译不变性功能，但还包含许多在科学和工程中找到新兴应用程序的置换不变函数。我们证明了通过受控的模棱两可的动态系统的通用近似的足够条件，可以将其视为具有对称约束的深度残留网络的一般抽象。这些结果不仅意味着用于对称函数近似的各种常用神经网络体系结构的通用近似，而且还指导设计具有近似值保证的架构的设计，以保证涉及新对称要求的应用。

与小组元素的作用一样，在数学中通常用于分析或利用给定问题设置中固有的对称性。在这里，我们提供有效的量子算法，用于对存储为量子状态的数据进行线性组卷积和互相关。我们的算法的运行时间在组的维度上是对数，因此与经典算法相比，当输入数据作为量子状态和线性操作提供良好的条件时，提供了指数加速。我们的理论框架是出于解决代数问题的量子算法的丰富文献，为量化机器学习和采用小组操作的数值方法中的许多算法开辟了一条途径。

生成建模旨在揭示产生观察到的数据的潜在因素，这些数据通常可以被建模为自然对称性，这些对称性是通过不变和对某些转型定律等效的表现出来的。但是，当前代表这些对称性的方法是在需要构建模棱两可矢量场的连续正式化流中所掩盖的 - 抑制了它们在常规的高维生成建模域（如自然图像）中的简单应用。在本文中，我们专注于使用离散层建立归一化流量。首先，我们从理论上证明了对紧凑空间的紧凑型组的模棱两可的图。我们进一步介绍了三个新的品牌流：$ g $ - 剩余的流量，$ g $ - 耦合流量和$ g $ - inverse自动回旋的回旋流量，可以提升经典的残留剩余，耦合和反向自动性流量，并带有等效的地图， $。从某种意义上说，我们证明$ g $ equivariant的差异性可以通过$ g $ - $ residual流量映射，我们的$ g $ - 剩余流量也很普遍。最后，我们首次在诸如CIFAR-10之类的图像数据集中对我们的理论见解进行了补充，并显示出$ G $ equivariant有限的有限流量，从而提高了数据效率，更快的收敛性和提高的可能性估计。

包括协调性信息，例如位置，力，速度或旋转在计算物理和化学中的许多任务中是重要的。我们介绍了概括了等级图形网络的可控e（3）的等值图形神经网络（Segnns），使得节点和边缘属性不限于不变的标量，而是可以包含相协同信息，例如矢量或张量。该模型由可操纵的MLP组成，能够在消息和更新功能中包含几何和物理信息。通过可操纵节点属性的定义，MLP提供了一种新的Activation函数，以便与可转向功能字段一般使用。我们讨论我们的镜头通过等级的非线性卷曲镜头讨论我们的相关工作，进一步允许我们引脚点点的成功组件：非线性消息聚集在经典线性（可操纵）点卷积上改善;可操纵的消息在最近发送不变性消息的最近的等价图形网络上。我们展示了我们对计算物理学和化学的若干任务的方法的有效性，并提供了广泛的消融研究。

We introduce Group equivariant Convolutional Neural Networks (G-CNNs), a natural generalization of convolutional neural networks that reduces sample complexity by exploiting symmetries. G-CNNs use G-convolutions, a new type of layer that enjoys a substantially higher degree of weight sharing than regular convolution layers. G-convolutions increase the expressive capacity of the network without increasing the number of parameters. Group convolution layers are easy to use and can be implemented with negligible computational overhead for discrete groups generated by translations, reflections and rotations. G-CNNs achieve state of the art results on CI-FAR10 and rotated MNIST.

在本文中，我们涉及在2D点云数据上的旋转设备。我们描述了一种特定的功能，能够近似任何连续旋转等级和置换不变函数。基于这一结果，我们提出了一种新的神经网络架构，用于处理2D点云，我们证明其普遍性地用于近似呈现这些对称的功能。我们还展示了如何扩展架构以接受一组2D-2D对应关系作为Indata，同时保持类似的标准性属性。关于立体视觉中必需基质的估计的实验。

卷积神经网络（CNNS）非常有效，因为它们利用自然图像的固有转换不变性。但是，翻译只是无数的有用空间转换之一。在考虑其他空间的侵犯侵犯性时可以获得相同的效率吗？过去已经考虑过这种广义综合，但以高计算成本为例。我们展示了一个简单和精确的建筑，但标准卷积具有相同的计算复杂性。它由一个恒定的图像扭曲，后跟一个简单的卷积，这是深度学习工具箱中的标准块。通过精心制作的经线，所产生的架构可以使成功的架构成为各种各样的双参数空间转换。我们展示了令人鼓舞的现实情景结果，包括谷歌地球数据集（旋转和缩放）中车辆姿势的估计，并且面部在野外注释的面部地标中的面部姿势（在透视下的3D旋转）。

强有力的彩票假说（SLTH）规定了足够过度参数（密集的）神经网络中的子网的存在，当随机初始化并且没有任何培训时，可以实现受过全面训练的目标网络的准确性。 \ citet {da2022 -proving}的最新工作表明，SLTH也可以扩展到翻译模棱两可的网络（即CNNS），具有与密集网络中SLT相同的过多叠加级化。但是，现代神经网络能够不仅纳入翻译对称性，而且开发一般的模棱两可的体系结构（例如旋转和排列）一直是一个有力的设计原理。在本文中，我们将slth推广到保留$ g $（即$ g $ equivariant网络）的函数，并以很高的概率证明，可以修剪随机初始初始初始化的过度透明$ g $ - $ g $ - $ g $ equivariant子网网络近似于固定宽度和深度的另一个完全训练的$ g $ equivariant网络。我们进一步证明，我们规定的过透明方案也是误差耐受性的函数。我们为各个组开发了我们的理论，包括重要的理论，例如欧几里得组的子组$ \ text {e}（n）$和对称组的子群体$ g \ leq \ leq \ mathcal {s} _n _n $ - 允许我们找到用于MLP，CNN，$ \ text {e}（2）$的SLTS，并以$ \ text {e}（2）$ - 通知CNN和置换量表等度性网络作为我们统一框架的特定实例，该框架完全扩展了先前的工作。从经验上讲，我们通过修剪过度叠加的$ \ text {e}（2）$来验证我们的理论，并传达CNN和消息传递GNN，以匹配给定的错误耐受性内受过训练的目标网络的性能。

定义网格上卷积的常用方法是将它们作为图形解释并应用图形卷积网络（GCN）。这种GCNS利用各向同性核，因此对顶点的相对取向不敏感，从而对整个网格的几何形状。我们提出了规范的等分性网状CNN，它概括了GCNS施加各向异性仪表等级核。由于产生的特征携带方向信息，我们引入了通过网格边缘并行传输特征来定义的几何消息传递方案。我们的实验验证了常规GCN和其他方法的提出模型的显着提高的表达性。

每个已知的人工深神经网络（DNN）都对应于规范Grothendieck的拓扑中的一个物体。它的学习动态对应于此拓扑中的形态流动。层中的不变结构（例如CNNS或LSTMS）对应于Giraud的堆栈。这种不变性应该是对概括属性的原因，即从约束下的学习数据中推断出来。纤维代表语义前类别（Culioli，Thom），在该类别上定义了人工语言，内部逻辑，直觉主义者，古典或线性（Girard）。网络的语义功能是其能够用这种语言表达理论的能力，以回答输出数据中有关输出的问题。语义信息的数量和空间是通过类比与2015年香农和D.Bennequin的Shannon熵的同源解释来定义的。他们概括了Carnap和Bar-Hillel（1952）发现的措施。令人惊讶的是，上述语义结构通过封闭模型类别的几何纤维对象进行了分类，然后它们产生了DNNS及其语义功能的同位不变。故意类型的理论（Martin-Loef）组织了这些物体和它们之间的纤维。 Grothendieck的导数分析了信息内容和交流。

从低级视觉理论中出现，可说的过滤器在先前的卷积神经网络上的工作中发现了对应物，等同于僵化的转换。在我们的工作中，我们提出了一种基于球形决策表面的神经元组成的基于馈送的可转向学习方法，并在点云上运行。这种球形神经元是通过欧几里得空间的共形嵌入来获得的，最近在点集的学习表示中被重新审视。为了关注3D几何形状，我们利用球形神经元的等轴测特性，并得出3D可识别性约束。在训练球形神经元以在规范方向上分类点云之后，我们使用四面体基础来使神经元四倍，并构建旋转 - 等级的球形滤波器库。然后，我们应用派生的约束来插值过滤器库输出，从而获得旋转不变的网络。最后，我们使用合成点集和现实世界3D骨架数据来验证我们的理论发现。该代码可在https://github.com/pavlo-melnyk/steerable-3d-neurons上找到。

我们研究小组对称性如何帮助提高端到端可区分计划算法的数据效率和概括，特别是在2D机器人路径计划问题上：导航和操纵。我们首先从价值迭代网络（VIN）正式使用卷积网络进行路径计划，因为它避免了明确构建等价类别并启用端到端计划。然后，我们证明价值迭代可以始终表示为（2D）路径计划的某种卷积形式，并将结果范式命名为对称范围（SYMPLAN）。在实施中，我们使用可进入的卷积网络来合并对称性。我们在导航和操纵方面的算法，具有给定或学习的地图，提高了与非等级同行VIN和GPPN相比，大幅度利润的训练效率和概括性能。

散射变换是一种基于多层的小波的深度学习架构，其充当卷积神经网络的模型。最近，几种作品引入了非欧几里德设置的散射变换的概括，例如图形。我们的工作通过基于非常一般的非对称小波来引入图形的窗口和非窗口几何散射变换来构建这些结构。我们表明，这些不对称的图形散射变换具有许多与其对称对应的相同的理论保证。结果，所提出的结构统一并扩展了许多现有图散射架构的已知理论结果。在这样做时，这项工作有助于通过引入具有可提供稳定性和不变性保证的大型网络，帮助弥合几何散射和其他图形神经网络之间的差距。这些结果为未来的图形结构数据奠定了基础，对具有学习过滤器的图形结构数据，并且还可以证明具有理想的理论特性。