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。

为了在深度学习中解释隐性正则化时，给予了矩阵和张量因子化的突出重点，这与简化的神经网络相对应。结果表明，这些模型分别表现出对低基质和张量排名的隐式趋势。当前的论文理论上绘制了更接近实际的深度学习，从理论上分析了分层张分解中的隐式正则化，该模型等同于某些深卷积神经网络。通过动态系统镜头，我们克服了与层次结构相关的挑战，并建立了对低层次张量级别的隐性正则化。这转化为相关卷积网络对区域的隐性正则化。受我们的理论的启发，我们设计了明确的正则化，阻碍了区域性，并证明了其在需要建筑变化的传统智慧的情况下，可以改善现代卷积网络在非本地任务上的性能。我们的工作突出了通过对其隐式正则化的理论分析来增强神经网络的潜力。

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？

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.

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.

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。

We propose an efficient method for approximating natural gradient descent in neural networks which we call Kronecker-factored Approximate Curvature (K-FAC). K-FAC is based on an efficiently invertible approximation of a neural network's Fisher information matrix which is neither diagonal nor low-rank, and in some cases is completely non-sparse. It is derived by approximating various large blocks of the Fisher (corresponding to entire layers) as being the Kronecker product of two much smaller matrices. While only several times more expensive to compute than the plain stochastic gradient, the updates produced by K-FAC make much more progress optimizing the objective, which results in an algorithm that can be much faster than stochastic gradient descent with momentum in practice. And unlike some previously proposed approximate natural-gradient/Newton methods which use high-quality non-diagonal curvature matrices (such as Hessian-free optimization), K-FAC works very well in highly stochastic optimization regimes. This is because the cost of storing and inverting K-FAC's approximation to the curvature matrix does not depend on the amount of data used to estimate it, which is a feature typically associated only with diagonal or low-rank approximations to the curvature matrix.

我们为特殊神经网络架构，称为运营商复发性神经网络的理论分析，用于近似非线性函数，其输入是线性运算符。这些功能通常在解决方案算法中出现用于逆边值问题的问题。传统的神经网络将输入数据视为向量，因此它们没有有效地捕获与对应于这种逆问题中的数据的线性运算符相关联的乘法结构。因此，我们介绍一个类似标准的神经网络架构的新系列，但是输入数据在向量上乘法作用。由较小的算子出现在边界控制中的紧凑型操作员和波动方程的反边值问题分析，我们在网络中的选择权重矩阵中促进结构和稀疏性。在描述此架构后，我们研究其表示属性以及其近似属性。我们还表明，可以引入明确的正则化，其可以从所述逆问题的数学分析导出，并导致概括属性上的某些保证。我们观察到重量矩阵的稀疏性改善了概括估计。最后，我们讨论如何将运营商复发网络视为深度学习模拟，以确定诸如用于从边界测量的声波方程中重建所未知的WAVESTED的边界控制的算法算法。

近期在应用于培训深度神经网络和数据分析中的其他优化问题中的非凸优化的优化算法的兴趣增加，我们概述了最近对非凸优化优化算法的全球性能保证的理论结果。我们从古典参数开始，显示一般非凸面问题无法在合理的时间内有效地解决。然后，我们提供了一个问题列表，可以通过利用问题的结构来有效地找到全球最小化器，因为可能的问题。处理非凸性的另一种方法是放宽目标，从找到全局最小，以找到静止点或局部最小值。对于该设置，我们首先为确定性一阶方法的收敛速率提出了已知结果，然后是最佳随机和随机梯度方案的一般理论分析，以及随机第一阶方法的概述。之后，我们讨论了非常一般的非凸面问题，例如最小化$ \ alpha $ -weakly-are-convex功能和满足Polyak-lojasiewicz条件的功能，这仍然允许获得一阶的理论融合保证方法。然后，我们考虑更高阶和零序/衍生物的方法及其收敛速率，以获得非凸优化问题。

我们证明了由例如He等人提出的广泛使用的方法。（2015年）并使用梯度下降对最小二乘损失进行训练并不普遍。具体而言，我们描述了一大批一维数据生成分布，较高的概率下降只会发现优化景观的局部最小值不好，因为它无法将其偏离偏差远离其初始化，以零移动。。事实证明，在这些情况下，即使目标函数是非线性的，发现的网络也基本执行线性回归。我们进一步提供了数值证据，表明在实际情况下，对于某些多维分布而发生这种情况，并且随机梯度下降表现出相似的行为。我们还提供了有关初始化和优化器的选择如何影响这种行为的经验结果。

古典统计学习理论表示，拟合太多参数导致过度舒服和性能差。尽管大量参数矛盾，但是现代深度神经网络概括了这一发现，并构成了解释深度学习成功的主要未解决的问题。随机梯度下降（SGD）引起的隐式正规被认为是重要的，但其特定原则仍然是未知的。在这项工作中，我们研究了当地最小值周围的能量景观的局部几何学如何影响SGD的统计特性，具有高斯梯度噪声。我们争辩说，在合理的假设下，局部几何形状力强制SGD保持接近低维子空间，这会引起隐式正则化并导致深神经网络的泛化误差界定更严格的界限。为了获得神经网络的泛化误差界限，我们首先引入局部最小值周围的停滞迹象，并施加人口风险的局部基本凸性财产。在这些条件下，推导出SGD的下界，以保留在这些停滞套件中。如果发生停滞，我们会导出涉及权重矩阵的光谱规范的深神经网络的泛化误差的界限，但不是网络参数的数量。从技术上讲，我们的证据基于控制SGD中的参数值的变化以及基于局部最小值周围的合适邻域的熵迭代的参数值和局部均匀收敛。我们的工作试图通过统一收敛更好地连接非凸优化和泛化分析。

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。

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。

了解通过随机梯度下降（SGD）训练的神经网络的特性是深度学习理论的核心。在这项工作中，我们采取了平均场景，并考虑通过SGD培训的双层Relu网络，以实现一个非变量正则化回归问题。我们的主要结果是SGD偏向于简单的解决方案：在收敛时，Relu网络实现输入的分段线性图，以及“结”点的数量 - 即，Relu网络估计器的切线变化的点数 - 在两个连续的训练输入之间最多三个。特别地，随着网络的神经元的数量，通过梯度流的解决方案捕获SGD动力学，并且在收敛时，重量的分布方法接近相关的自由能量的独特最小化器，其具有GIBBS形式。我们的主要技术贡献在于分析了这一最小化器产生的估计器：我们表明其第二阶段在各地消失，除了代表“结”要点的一些特定地点。我们还提供了经验证据，即我们的理论预测的不同可能发生与数据点不同的位置的结。

我们研究了趋势过滤的多元版本，称为Kronecker趋势过滤或KTF，因为设计点以$ D $维度形成格子。 KTF是单变量趋势过滤的自然延伸（Steidl等，2006; Kim等人，2009; Tibshirani，2014），并通过最大限度地减少惩罚最小二乘问题，其罚款术语总和绝对（高阶）沿每个坐标方向估计参数的差异。相应的惩罚运算符可以编写单次趋势过滤惩罚运营商的Kronecker产品，因此名称Kronecker趋势过滤。等效，可以在$ \ ell_1 $ -penalized基础回归问题上查看KTF，其中基本功能是下降阶段函数的张量产品，是一个分段多项式（离散样条）基础，基于单变量趋势过滤。本文是Sadhanala等人的统一和延伸结果。 （2016,2017）。我们开发了一套完整的理论结果，描述了$ k \ grone 0 $和$ d \ geq 1 $的$ k ^ {\ mathrm {th}} $ over kronecker趋势过滤的行为。这揭示了许多有趣的现象，包括KTF在估计异构平滑的功能时KTF的优势，并且在$ d = 2（k + 1）$的相位过渡，一个边界过去（在高维对 - 光滑侧）线性泡沫不能完全保持一致。我们还利用Tibshirani（2020）的离散花键来利用最近的结果，特别是离散的花键插值结果，使我们能够将KTF估计扩展到恒定时间内的任何偏离晶格位置（与晶格数量的大小无关）。

了解随机梯度下降（SGD）的隐式偏见是深度学习的关键挑战之一，尤其是对于过度透明的模型，损失功能的局部最小化$ l $可以形成多种多样的模型。从直觉上讲，SGD $ \ eta $的学习率很小，SGD跟踪梯度下降（GD），直到它接近这种歧管为止，梯度噪声阻止了进一步的收敛。在这样的政权中，Blanc等人。 （2020）证明，带有标签噪声的SGD局部降低了常规术语，损失的清晰度，$ \ mathrm {tr} [\ nabla^2 l] $。当前的论文通过调整Katzenberger（1991）的想法提供了一个总体框架。它原则上允许使用随机微分方程（SDE）描述参数的限制动力学的SGD围绕此歧管的正规化效应（即“隐式偏见”）的正则化效应，这是由损失共同确定的功能和噪声协方差。这产生了一些新的结果：（1）与Blanc等人的局部分析相比，对$ \ eta^{ - 2} $ steps有效的隐性偏差进行了全局分析。 （2020）仅适用于$ \ eta^{ - 1.6} $ steps和（2）允许任意噪声协方差。作为一个应用程序，我们以任意大的初始化显示，标签噪声SGD始终可以逃脱内核制度，并且仅需要$ o（\ kappa \ ln d）$样本用于学习$ \ kappa $ -sparse $ -sparse yroverparame parametrized linearized Linear Modal in $ \ Mathbb {r}^d $（Woodworth等，2020），而GD在内核制度中初始化的GD需要$ \ omega（d）$样本。该上限是最小值的最佳，并改善了先前的$ \ tilde {o}（\ kappa^2）$上限（Haochen等，2020）。

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

Adaptive optimization methods are well known to achieve superior convergence relative to vanilla gradient methods. The traditional viewpoint in optimization, particularly in convex optimization, explains this improved performance by arguing that, unlike vanilla gradient schemes, adaptive algorithms mimic the behavior of a second-order method by adapting to the global geometry of the loss function. We argue that in the context of neural network optimization, this traditional viewpoint is insufficient. Instead, we advocate for a local trajectory analysis. For iterate trajectories produced by running a generic optimization algorithm OPT, we introduce $R^{\text{OPT}}_{\text{med}}$, a statistic that is analogous to the condition number of the loss Hessian evaluated at the iterates. Through extensive experiments, we show that adaptive methods such as Adam bias the trajectories towards regions where $R^{\text{Adam}}_{\text{med}}$ is small, where one might expect faster convergence. By contrast, vanilla gradient methods like SGD bias the trajectories towards regions where $R^{\text{SGD}}_{\text{med}}$ is comparatively large. We complement these empirical observations with a theoretical result that provably demonstrates this phenomenon in the simplified setting of a two-layer linear network. We view our findings as evidence for the need of a new explanation of the success of adaptive methods, one that is different than the conventional wisdom.

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。