We consider the random feature ridge regression (RFRR) given by a two-layer neural network at random initialization. We study the non-asymptotic behaviors of the training error, cross-validations, and generalization error of RFRR with nearly orthogonal deterministic input data in the overparameterized regime, where the number of parameters $N$ is much larger than the sample size $n$. We respectively establish the concentrations of the training errors, cross-validations, and generalization errors of RFRR around their corresponding errors of kernel ridge regression (KRR). This KRR is defined by an expected kernel from a random feature map. We then approximate the performances of the KRR by a polynomial kernel matrix, whose degree only depends on the orthogonality among different input vectors. The degree of this polynomial kernel essentially determines the asymptotic behavior of RFRR and KRR. Our results hold for a general class of target functions and input data with weak approximate orthonormal properties among different data points. Based on these approximations and nearly orthogonality, we obtain a lower bound for the generalization error of RFRR.

现代神经网络通常以强烈的过度构造状态运行：它们包含许多参数，即使实际标签被纯粹随机的标签代替，它们也可以插入训练集。尽管如此，他们在看不见的数据上达到了良好的预测错误：插值训练集并不会导致巨大的概括错误。此外，过度散色化似乎是有益的，因为它简化了优化景观。在这里，我们在神经切线（NT）制度中的两层神经网络的背景下研究这些现象。我们考虑了一个简单的数据模型，以及各向同性协变量的矢量，$ d $尺寸和$ n $隐藏的神经元。我们假设样本量$ n $和尺寸$ d $都很大，并且它们在多项式上相关。我们的第一个主要结果是对过份术的经验NT内核的特征结构的特征。这种表征意味着必然的表明，经验NT内核的最低特征值在$ ND \ gg n $后立即从零界限，因此网络可以在同一制度中精确插值任意标签。我们的第二个主要结果是对NT Ridge回归的概括误差的表征，包括特殊情况，最小值-ULL_2 $ NORD插值。我们证明，一旦$ nd \ gg n $，测试误差就会被内核岭回归之一相对于无限宽度内核而近似。多项式脊回归的误差依次近似后者，从而通过与激活函数的高度组件相关的“自我诱导的”项增加了正则化参数。多项式程度取决于样本量和尺寸（尤其是$ \ log n/\ log d $）。

最近的作品证明了过度参数化学习中的双重下降现象：随着模型参数的数量的增加，多余的风险具有$ \ mathsf {u} $ - 在开始时形状，然后在模型高度过度参数化时再次减少。尽管最近在不同的环境（例如线性模型，随机特征模型和内核方法）下进行了研究，但在理论上尚未完全理解这种现象。在本文中，我们考虑了由两种随机特征组成的双随机特征模型（DRFM），并研究DRFM在脊回归中实现的多余风险。我们计算高维框架下的多余风险的确切限制，在这种框架上，训练样本量，数据尺寸和随机特征的维度往往会成比例地无限。根据计算，我们证明DRFM的风险曲线可以表现出三重下降。然后，我们提供三重下降现象的解释，并讨论随机特征维度，正则化参数和信噪比比率如何控制DRFMS风险曲线的形状。最后，我们将研究扩展到多个随机功能模型（MRFM），并表明具有$ K $类型的随机功能的MRFM可能会显示出$（K+1）$ - 折叠。我们的分析指出，具有特定数量下降的风险曲线通常在基于特征的回归中存在。另一个有趣的发现是，当学习神经网络在“神经切线内核”制度中时，我们的结果可以恢复文献中报告的风险峰值位置。

对于某种缩放的随机梯度下降（SGD）的初始化，已经显示宽神经网络（NN）通过再现核Hilbert空间（RKHS）方法来近似近似。最近的实证工作表明，对于某些分类任务，RKHS方法可以替换NNS而无需大量的性能损失。另一方面，已知两层NNS编码比RKHS更丰富的平滑度等级，并且我们知道SGD培训的NN可提供的特殊示例可提供胜过RKHS。即使在宽网络限制中，这也是如此，对于初始化的不同缩放。我们如何调和上述索赔？任务是否优于RKHS？如果协变量近在各向同性，RKHS方法患有维度的诅咒，而NNS可以通过学习最佳的低维表示来克服它。在这里，我们表明，如果协变量显示与目标函数相同的低维结构，则这种维度的这种诅咒变得更温和，并且我们精确地表征了这个权衡。在这些结果上建立，我们提出了可以在早期工作中观察到的统一框架中捕获的尖刺协变量模型。我们假设这种潜伏的低维结构存在于图像分类中。我们通过表明训练分配的特定扰动降低了比NN更大的更显高度显着的训练方法的特定扰动来测试这些假设。

成功的深度学习模型往往涉及培训具有比训练样本数量更多的参数的神经网络架构。近年来已经广泛研究了这种超分子化的模型，并且通过双下降现象和通过优化景观的结构特性，从统计的角度和计算视角都建立了过分统计化的优点。尽管在过上分层的制度中深入学习架构的显着成功，但也众所周知，这些模型对其投入中的小对抗扰动感到高度脆弱。即使在普遍培训的情况下，它们在扰动输入（鲁棒泛化）上的性能也会比良性输入（标准概括）的最佳可达到的性能更糟糕。因此，必须了解如何从根本上影响稳健性的情况下如何影响鲁棒性。在本文中，我们将通过专注于随机特征回归模型（具有随机第一层权重的两层神经网络）来提供超分度化对鲁棒性的作用的精确表征。我们考虑一个制度，其中样本量，输入维度和参数的数量彼此成比例地生长，并且当模型发生前列地训练时，可以为鲁棒泛化误差导出渐近精确的公式。我们的发达理论揭示了过分统计化对鲁棒性的非竞争效果，表明对于普遍训练的随机特征模型，高度公正化可能会损害鲁棒泛化。

要了解深度学习的作品，了解神经网络的培训动态至关重要。关于这些动态的几个有趣的假设是基于经验观察到的现象，但存在有限的理论上了解此类现象的时间和原因。在本文中，我们考虑了内核最小二乘目标对梯度流动的培训动态，这是SGD培训的神经网络的限制动态。使用精确的高维渐近学，我们将拟合模型的动态表征在两个“世界”中：在甲骨文世界中，该模型在人口分布和实证世界中培训，模型在采样的数据集上培训。我们展示在内核的温和条件下，$ L ^ 2 $目标回归函数，培训动力学经历三个阶段，其特征在于两个世界的模型的行为。我们的理论结果也在数学上正式化一些有趣的深度学习现象。具体而言，在我们的环境中，我们展示了SGD逐步了解更多复杂的功能，并且存在“深度引导”现象：在第二阶段，尽管经验训练误差要小得多，但两个世界的测试错误仍然接近。最后，我们提供了一个具体的例子，比较了两种不同核的动态，这表明更快的培训不需要更好地推广。

我们研究了称为“乐观速率”（Panchenko 2002; Srebro等，2010）的统一收敛概念，用于与高斯数据的线性回归。我们的精致分析避免了现有结果中的隐藏常量和对数因子，这已知在高维设置中至关重要，特别是用于了解插值学习。作为一个特殊情况，我们的分析恢复了Koehler等人的保证。（2021年），在良性过度的过度条件下，严格地表征了低规范内插器的人口风险。但是，我们的乐观速度绑定还分析了具有任意训练错误的预测因子。这使我们能够在随机设计下恢复脊和套索回归的一些经典统计保障，并有助于我们在过度参数化制度中获得精确了解近端器的过度风险。

对于由缺陷线性回归中的标签噪声引起的预期平均平方概率，我们证明了无渐近分布的下限。我们的下部结合概括了过度公共数据（内插）制度的类似已知结果。与最先前的作品相比，我们的分析适用于广泛的输入分布，几乎肯定的全排列功能矩阵，允许我们涵盖各种类型的确定性或随机特征映射。我们的下限是渐近的锐利，暗示在存在标签噪声时，缺陷的线性回归不会在任何这些特征映射中围绕内插阈值进行良好的。我们详细分析了强加的假设，并为分析（随机）特征映射提供了理论。使用此理论，我们可以表明我们的假设对于具有（Lebesgue）密度的输入分布以及随机深神经网络给出的特征映射，具有Sigmoid，Tanh，SoftPlus或Gelu等分析激活功能。作为进一步的例子，我们示出了来自随机傅里叶特征和多项式内核的特征映射也满足我们的假设。通过进一步的实验和分析结果，我们补充了我们的理论。

尽管有许多有吸引力的财产，但内核方法受到维度的诅咒受到严重影响。例如，在$ \ mathbb {r} ^ d $的内部产品内核的情况下，再现内核希尔伯特空间（RKHS）规范对于依赖于小方向子集（RIDGE函数）的功能往往非常大。相应地，使用内核方法难以学习这样的功能。这种观察结果有动力研究内核方法的概括，由此rkhs规范 - 它等同于加权$ \ ell_2 $ norm - 被加权函数$ \ ell_p $ norm替换，我们将其称为$ \ mathcal {f} _p $ norm。不幸的是，这些方法的陶油是不清楚的。内核技巧不可用，最大限度地减少这些规范要求解决无限维凸面问题。我们将随机特征近似于这些规范，表明，对于$ p> 1 $，近似于原始学习问题所需的随机功能的数量是由样本大小的多项式的上限。因此，使用$ \ mathcal {f} _p $ norms在这些情况下是易行的。我们介绍了一种基于双重均匀浓度的证明技术，这可以对超分子化模型的研究更广泛。对于$ p = 1 $，我们对随机功能的保证近似分解。我们证明了使用$ \ mathcal {f} _1 $ norm的学习是在随机减少的$ \ mathsf {np} $ - 基于噪音的半个空间问题的问题。

最近的实证工作表明，由卷积神经网络（CNNS）启发的分层卷积核（CNNS）显着提高了内核方法​​在图像分类任务中的性能。对这些架构成功的广泛解释是它们编码适合自然图像的假设类。然而，了解卷积架构中近似和泛化之间的精确相互作用仍然是一个挑战。在本文中，我们考虑均匀分布在超立方体上的协变量（图像像素）的程式化设置，并完全表征由单层卷积，汇集和下采样操作组成的内核的RKH。然后，我们使用这些内核通过标准内部产品内核来研究内核方法的样本效率的增益。特别是，我们展示了1）卷积层通过将RKHS限制为“本地”功能来打破维度的诅咒; 2）局部汇集偏置朝向低频功能，这是较小的翻译稳定; 3）下采样可以修改高频成粒空间，但留下了大致不变的低频部分。值得注意的是，我们的结果量化了选择适应目标函数的架构如何导致样本复杂性的大量改善。

In many modern applications of deep learning the neural network has many more parameters than the data points used for its training. Motivated by those practices, a large body of recent theoretical research has been devoted to studying overparameterized models. One of the central phenomena in this regime is the ability of the model to interpolate noisy data, but still have test error lower than the amount of noise in that data. arXiv:1906.11300 characterized for which covariance structure of the data such a phenomenon can happen in linear regression if one considers the interpolating solution with minimum $\ell_2$-norm and the data has independent components: they gave a sharp bound on the variance term and showed that it can be small if and only if the data covariance has high effective rank in a subspace of small co-dimension. We strengthen and complete their results by eliminating the independence assumption and providing sharp bounds for the bias term. Thus, our results apply in a much more general setting than those of arXiv:1906.11300, e.g., kernel regression, and not only characterize how the noise is damped but also which part of the true signal is learned. Moreover, we extend the result to the setting of ridge regression, which allows us to explain another interesting phenomenon: we give general sufficient conditions under which the optimal regularization is negative.

Autoencoders are a popular model in many branches of machine learning and lossy data compression. However, their fundamental limits, the performance of gradient methods and the features learnt during optimization remain poorly understood, even in the two-layer setting. In fact, earlier work has considered either linear autoencoders or specific training regimes (leading to vanishing or diverging compression rates). Our paper addresses this gap by focusing on non-linear two-layer autoencoders trained in the challenging proportional regime in which the input dimension scales linearly with the size of the representation. Our results characterize the minimizers of the population risk, and show that such minimizers are achieved by gradient methods; their structure is also unveiled, thus leading to a concise description of the features obtained via training. For the special case of a sign activation function, our analysis establishes the fundamental limits for the lossy compression of Gaussian sources via (shallow) autoencoders. Finally, while the results are proved for Gaussian data, numerical simulations on standard datasets display the universality of the theoretical predictions.

我们研究了非参数脊的最小二乘的学习属性。特别是，我们考虑常见的估计人的估计案例，由比例依赖性内核定义，并专注于规模的作用。这些估计器内插数据，可以显示规模来通过条件号控制其稳定性。我们的分析表明，这是不同的制度，具体取决于样本大小，其尺寸与问题的平滑度之间的相互作用。实际上，当样本大小小于数据维度中的指数时，可以选择比例，以便学习错误减少。随着样本尺寸变大，总体错误停止减小但有趣地可以选择规模，使得噪声引起的差异仍然存在界线。我们的分析结合了概率，具有来自插值理论的许多分析技术。

强大的机器学习模型的开发中的一个重要障碍是协变量的转变，当训练和测试集的输入分布时发生的分配换档形式在条件标签分布保持不变时发生。尽管现实世界应用的协变量转变普遍存在，但在现代机器学习背景下的理论理解仍然缺乏。在这项工作中，我们检查协变量的随机特征回归的精确高尺度渐近性，并在该设置中提出了限制测试误差，偏差和方差的精确表征。我们的结果激发了一种自然部分秩序，通过协变速转移，提供足够的条件来确定何时何时损害（甚至有助于）测试性能。我们发现，过度分辨率模型表现出增强的协会转变的鲁棒性，为这种有趣现象提供了第一个理论解释之一。此外，我们的分析揭示了分销和分发外概率性能之间的精确线性关系，为这一令人惊讶的近期实证观察提供了解释。

已知神经网络对对抗性例子高度敏感。这些可能是由于不同的因素，例如随机初始化或学习问题中的虚假相关性。为了更好地理解这些因素，我们提供了对不同场景中对抗性鲁棒性的精确研究，从初始化到不同制度的培训结束以及中间场景，由于“懒惰”培训，初始化仍然起着作用。我们考虑具有二次靶标和无限样品的高维度中的过度参数化网络。我们的分析使我们能够确定近似（通过测试错误测量）和鲁棒性之间的新权衡，从而在测试误差改善时只能变得更糟，反之亦然。我们还展示了由于不当缩放的随机初始化，线性化的懒惰训练机制如何使鲁棒性恶化。通过数值实验说明了我们的理论结果。

我们考虑与高斯数据的高维线性回归中的插值学习，并在类高斯宽度方面证明了任意假设类别中的内插器的泛化误差。将通用绑定到欧几里德常规球恢复了Bartlett等人的一致性结果。（2020）对于最小规范内插器，并确认周等人的预测。（2020）在高斯数据的特殊情况下，对于近乎最小常态的内插器。我们通过将其应用于单位来证明所界限的一般性，从而获得最小L1-NORM Interpoolator（基础追踪）的新型一致性结果。我们的结果表明，基于规范的泛化界限如何解释并用于分析良性过度装备，至少在某些设置中。

本文研究了随机梯度下降（SGD）优化的高尺寸中随机特征（RF）回归的概过特性。在该制度中，我们在恒定和自适应阶梯大小的SGD设置下得出了RF回归的精确非渐近误差界，并观察了理论上和经验的双重血管现象。我们的分析显示了如何应对多种随机性源的初始化，标签噪声和数据采样（以及随机梯度），没有闭合形式解决方案，并且还超出了普通使用的高斯/球面数据假设。我们的理论结果表明，通过SGD训练，RF回归仍然概括为插值学习，并且能够通过方差的单位和单调的偏差减小来表征双重血迹行为。此外，我们还证明，与精确的最小规范内插器相比，恒定的步长SGD设置在与精确的最小规范内插器相比时不会损失收敛速度，作为在实践中使用SGD的理论典范。

The spectra of random feature matrices provide essential information on the conditioning of the linear system used in random feature regression problems and are thus connected to the consistency and generalization of random feature models. Random feature matrices are asymmetric rectangular nonlinear matrices depending on two input variables, the data and the weights, which can make their characterization challenging. We consider two settings for the two input variables, either both are random variables or one is a random variable and the other is well-separated, i.e. there is a minimum distance between points. With conditions on the dimension, the complexity ratio, and the sampling variance, we show that the singular values of these matrices concentrate near their full expectation and near one with high-probability. In particular, since the dimension depends only on the logarithm of the number of random weights or the number of data points, our complexity bounds can be achieved even in moderate dimensions for many practical setting. The theoretical results are verified with numerical experiments.

我们在随机特征矩阵的条件数上提供（高概率）界限。特别是，我们表明，如果复杂性比率$ \ frac {n} $ where $ n $是n $ with n $ wore $ n $是$ m $的数量，如$ \ log ^ {-1}（ n）$或$ \ log（m）$，然后随机功能矩阵很好。该结果在没有正则化的情况下保持并且依赖于在随机特征矩阵的相关组件之间建立各种浓度界限。另外，我们在随机特征矩阵的受限等距常数上获得界限。我们证明了使用随机特征矩阵的回归问题相关的风险表现出双重下降现象，并且这是条件数的双缩小行为的效果。风险范围包括使用最小二乘问题的underParamedAimed设置和使用最小规范插值问题或稀疏回归问题的过次参数化设置。对于最小二乘或稀疏的回归案例，我们表明风险降低为$ M $和$ N $增加，即使在存在有限或随机噪声时也是如此。风险绑定与文献中的最佳缩放匹配，我们的结果中的常量是显式的，并且独立于数据的维度。

我们在假设目标函数的先前和EIGENExpansion系数的假定下，我们将高斯进程回归（GPR）的幂律渐近学习曲线的幂律渐近学呈现出高斯过程回归（GPR）。在类似的假设下，我们利用GPR和内核RIDGE回归（KRR）之间的等价性来显示KRR的泛化误差。无限宽的神经网络可以与GPR相对于神经网络GP内核和神经切线内核有关，其中已知在几个情况下具有幂律谱。因此，我们的方法可以应用于研究无限宽神经网络的泛化误差。我们提出了展示理论的玩具实验。