神经网络（NNS）也很难有效地学习某些问题，例如奇偶校验问题，即使对于这些问题有简单的学习算法。NNS可以自己发现学习算法吗？我们展示了一个NN体系结构，在多项式时期，可以通过恒定尺寸的学习算法来学习以及任何有效的学习算法。例如，在奇偶校验问题上，NN学习和减少行，这是一种可以简单描述的有效算法。我们的体系结构结合了层和卷积重量共享之间的重复分享，即使网络本身可能具有数万亿个节点，也将参数数量降低到常数。在实践中，我们的分析中的常数太大而无法直接有意义，但我们的工作表明，经常性和卷积NNS（RCNN）的协同作用可能比单独的任何一个更强大。

当我们扩大数据集，模型尺寸和培训时间时，深入学习方法的能力中存在越来越多的经验证据。尽管有一些关于这些资源如何调节统计能力的说法，但对它们对模型培训的计算问题的影响知之甚少。这项工作通过学习$ k $ -sparse $ n $ bits的镜头进行了探索，这是一个构成理论计算障碍的规范性问题。在这种情况下，我们发现神经网络在扩大数据集大小和运行时间时会表现出令人惊讶的相变。特别是，我们从经验上证明，通过标准培训，各种体系结构以$ n^{o（k）} $示例学习稀疏的平等，而损失（和错误）曲线在$ n^{o（k）}后突然下降。 $迭代。这些积极的结果几乎匹配已知的SQ下限，即使没有明确的稀疏性先验。我们通过理论分析阐明了这些现象的机制：我们发现性能的相变不到SGD“在黑暗中绊倒”，直到它找到了隐藏的特征集（自然算法也以$ n^中的方式运行{o（k）} $ time）;取而代之的是，我们表明SGD逐渐扩大了人口梯度的傅立叶差距。

我们建立了量子算法设计与电路下限之间的第一一般连接。具体来说，让$ \ mathfrak {c} $是一类多项式大小概念，假设$ \ mathfrak {c} $可以在统一分布下的成员查询，错误$ 1/2 - \ gamma $通过时间$ t $量子算法。我们证明如果$ \ gamma ^ 2 \ cdot t \ ll 2 ^ n / n $，则$ \ mathsf {bqe} \ nsubseteq \ mathfrak {c} $，其中$ \ mathsf {bqe} = \ mathsf {bque} [2 ^ {o（n）}] $是$ \ mathsf {bqp} $的指数时间模拟。在$ \ gamma $和$ t $中，此结果是最佳的，因为它不难学习（经典）时间$ t = 2 ^ n $（没有错误） ，或在Quantum Time $ t = \ mathsf {poly}（n）$以傅立叶采样为单位为1/2美元（2 ^ { - n / 2}）$。换句话说，即使对这些通用学习算法的边际改善也会导致复杂性理论的主要后果。我们的证明在学习理论，伪随机性和计算复杂性的几个作品上构建，并且至关重要地，在非凡的经典学习算法与由Oliveira和Santhanam建立的电路下限之间的联系（CCC 2017）。扩展他们对量子学习算法的方法，结果产生了重大挑战。为此，我们展示了伪随机发电机如何以通用方式意味着学习到较低的连接，构建针对均匀量子计算的第一个条件伪随机发生器，并扩展了Impagliazzo，JaiSwal的本地列表解码算法。 ，Kabanets和Wigderson（Sicomp 2010）通过微妙的分析到量子电路。我们认为，这些贡献是独立的兴趣，可能会发现其他申请。

自我注意事项是一种旨在在顺序数据中建模远程相互作用的建筑主题，它推动了自然语言处理及其他方面的许多最新突破。这项工作提供了对自我发项模块的归纳偏差的理论分析。我们的重点是严格确定哪些功能和远程依赖性自我注意力障碍更喜欢代表。我们的主要结果表明，有限的 - 标志变压器网络“创建稀疏变量”：单个自我发项头可以代表输入序列的稀疏函数，样品复杂性仅与上下文长度进行对数。为了支持我们的分析，我们提出了合成实验，以探测学习稀疏的布尔功能与变压器的样本复杂性。

The fundamental learning theory behind neural networks remains largely open. What classes of functions can neural networks actually learn? Why doesn't the trained network overfit when it is overparameterized?In this work, we prove that overparameterized neural networks can learn some notable concept classes, including two and three-layer networks with fewer parameters and smooth activations. Moreover, the learning can be simply done by SGD (stochastic gradient descent) or its variants in polynomial time using polynomially many samples. The sample complexity can also be almost independent of the number of parameters in the network.On the technique side, our analysis goes beyond the so-called NTK (neural tangent kernel) linearization of neural networks in prior works. We establish a new notion of quadratic approximation of the neural network (that can be viewed as a second-order variant of NTK), and connect it to the SGD theory of escaping saddle points.

Recent work shows that the expressive power of Graph Neural Networks (GNNs) in distinguishing non-isomorphic graphs is exactly the same as that of the Weisfeiler-Lehman (WL) graph test. In particular, they show that the WL test can be simulated by GNNs. However, those simulations involve neural networks for the 'combine' function of size polynomial or even exponential in the number of graph nodes $n$, as well as feature vectors of length linear in $n$. We present an improved simulation of the WL test on GNNs with \emph{exponentially} lower complexity. In particular, the neural network implementing the combine function in each node has only a polylogarithmic number of parameters in $n$, and the feature vectors exchanged by the nodes of GNN consists of only $O(\log n)$ bits. We also give logarithmic lower bounds for the feature vector length and the size of the neural networks, showing the (near)-optimality of our construction.

Deep nets generalize well despite having more parameters than the number of training samples. Recent works try to give an explanation using PAC-Bayes and Margin-based analyses, but do not as yet result in sample complexity bounds better than naive parameter counting. The current paper shows generalization bounds that're orders of magnitude better in practice. These rely upon new succinct reparametrizations of the trained net -a compression that is explicit and efficient. These yield generalization bounds via a simple compression-based framework introduced here. Our results also provide some theoretical justification for widespread empirical success in compressing deep nets.Analysis of correctness of our compression relies upon some newly identified "noise stability"properties of trained deep nets, which are also experimentally verified. The study of these properties and resulting generalization bounds are also extended to convolutional nets, which had eluded earlier attempts on proving generalization.

本文识别数据分布的结构属性，使得深神经网络能够分层学习。我们定义了在布尔超立方体上的功能的“楼梯”属性，该功能在沿着增加链的低阶傅里叶系数可达高阶傅里叶系数。我们证明了满足该属性的功能可以在多项式时间中使用常规神经网络上的分层随机坐标血液中学到多项式时间 - 一类网络架构和具有同质性属性的初始化。我们的分析表明，对于这种阶梯功能和神经网络，基于梯度的算法通过贪婪地组合沿网络深度的较低级别特征来了解高级功能。我们进一步回复了我们的理论结果，实验显示楼梯功能也是由具有随机梯度下降的更多标准Reset架构进行学习的。理论和实验结果都支持阶梯属性在理解基于梯度的学习的能力的情况下，与可以模仿最近所示的任何SQ或PAC算法的一般多项式网络相反，阶梯属性在理解普通网络上的能力相反。

Learning problems form an important category of computational tasks that generalizes many of the computations researchers apply to large real-life data sets. We ask: what concept classes can be learned privately, namely, by an algorithm whose output does not depend too heavily on any one input or specific training example? More precisely, we investigate learning algorithms that satisfy differential privacy, a notion that provides strong confidentiality guarantees in contexts where aggregate information is released about a database containing sensitive information about individuals.Our goal is a broad understanding of the resources required for private learning in terms of samples, computation time, and interaction. We demonstrate that, ignoring computational constraints, it is possible to privately agnostically learn any concept class using a sample size approximately logarithmic in the cardinality of the concept class. Therefore, almost anything learnable is learnable privately: specifically, if a concept class is learnable by a (non-private) algorithm with polynomial sample complexity and output size, then it can be learned privately using a polynomial number of samples. We also present a computationally efficient private PAC learner for the class of parity functions. This result dispels the similarity between learning with noise and private learning (both must be robust to small changes in inputs), since parity is thought to be very hard to learn given random classification noise.Local (or randomized response) algorithms are a practical class of private algorithms that have received extensive investigation. We provide a precise characterization of local private learning algorithms. We show that a concept class is learnable by a local algorithm if and only if it is learnable in the statistical query (SQ) model. Therefore, for local private learning algorithms, the similarity to learning with noise is stronger: local learning is equivalent to SQ learning, and SQ algorithms include most known noise-tolerant learning algorithms. Finally, we present a separation between the power of interactive and noninteractive local learning algorithms. Because of the equivalence to SQ learning, this result also separates adaptive and nonadaptive SQ learning.

尽管使用对抗性训练捍卫深度学习模型免受对抗性扰动的经验成功，但到目前为止，仍然不清楚对抗性扰动的存在背后的原则是什么，而对抗性培训对神经网络进行了什么来消除它们。在本文中，我们提出了一个称为特征纯化的原则，在其中，我们表明存在对抗性示例的原因之一是在神经网络的训练过程中，在隐藏的重量中积累了某些小型密集混合物；更重要的是，对抗训练的目标之一是去除此类混合物以净化隐藏的重量。我们介绍了CIFAR-10数据集上的两个实验，以说明这一原理，并且一个理论上的结果证明，对于某些自然分类任务，使用随机初始初始化的梯度下降训练具有RELU激活的两层神经网络确实满足了这一原理。从技术上讲，我们给出了我们最大程度的了解，第一个结果证明，以下两个可以同时保持使用RELU激活的神经网络。 （1）对原始数据的训练确实对某些半径的小对抗扰动确实不舒适。 （2）即使使用经验性扰动算法（例如FGM），实际上也可以证明对对抗相同半径的任何扰动也可以证明具有强大的良好性。最后，我们还证明了复杂性的下限，表明该网络的低复杂性模型，例如线性分类器，低度多项式或什至是神经切线核，无论使用哪种算法，都无法防御相同半径的扰动训练他们。

我们研究了图形表示学习的量子电路，并提出了等级的量子图电路（EQGCS），作为一类参数化量子电路，具有强大的关系感应偏压，用于学习图形结构数据。概念上，EQGCS作为量子图表表示学习的统一框架，允许我们定义几个有趣的子类，其中包含了现有的提案。就代表性权力而言，我们证明了感兴趣的子类是界限图域中的函数的普遍近似器，并提供实验证据。我们对量子图机学习方法的理论透视开启了许多方向以进行进一步的工作，可能导致具有超出古典方法的能力的模型。

近年来，在诸如denoing，压缩感应，介入和超分辨率等反问题中使用深度学习方法的使用取得了重大进展。尽管这种作品主要是由实践算法和实验驱动的，但它也引起了各种有趣的理论问题。在本文中，我们调查了这一作品中一些突出的理论发展，尤其是生成先验，未经训练的神经网络先验和展开算法。除了总结这些主题中的现有结果外，我们还强调了一些持续的挑战和开放问题。

这项调查的目的是介绍对深神经网络的近似特性的解释性回顾。具体而言，我们旨在了解深神经网络如何以及为什么要优于其他经典线性和非线性近似方法。这项调查包括三章。在第1章中，我们回顾了深层网络及其组成非线性结构的关键思想和概念。我们通过在解决回归和分类问题时将其作为优化问题来形式化神经网络问题。我们简要讨论用于解决优化问题的随机梯度下降算法以及用于解决优化问题的后传播公式，并解决了与神经网络性能相关的一些问题，包括选择激活功能，成本功能，过度适应问题和正则化。在第2章中，我们将重点转移到神经网络的近似理论上。我们首先介绍多项式近似中的密度概念，尤其是研究实现连续函数的Stone-WeierStrass定理。然后，在线性近似的框架内，我们回顾了馈电网络的密度和收敛速率的一些经典结果，然后在近似Sobolev函数中进行有关深网络复杂性的最新发展。在第3章中，利用非线性近似理论，我们进一步详细介绍了深度和近似网络与其他经典非线性近似方法相比的近似优势。

我们证明，可以通过恒定的深度统一阈值电路模拟输入长度中具有对数精度的变压器神经网络（以及使用输入长度中的线性空间计算的FeedForward子网络）。因此，此类变压器仅在$ \ mathsf {tc}^0 $中识别形式语言，这是由常数深度，多大小阈值电路定义的语言类。这证明了NLP中的实际主张与计算复杂性理论中的理论猜想之间的联系：“注意就是您需要的一切”（Vaswani等，2017），即，只有在所有有效地计算的情况下，变形金刚都能够进行所有有效的计算可以使用日志空间来解决问题，即$ \ mathsf l = \ mathsf p $。我们还构建了一个可以在任何输入上评估任何恒定深度阈值电路的变压器，证明变形金刚可以遵循$ \ Mathsf {tc}^0 $中表示的说明。

我们有助于更好地理解由具有Relu激活和给定架构的神经网络表示的功能。使用来自混合整数优化，多面体理论和热带几何的技术，我们为普遍近似定理提供了数学逆向，这表明单个隐藏层足以用于学习任务。特别是，我们调查完全可增值功能是否完全可以通过添加更多层（没有限制大小）来严格增加。由于它为神经假设类别代表的函数类提供给算法和统计方面，这个问题对算法和统计方面具有潜在的影响。然而，据我们所知，这个问题尚未在神经网络文学中调查。我们还在这些神经假设类别中代表功能所需的神经网络的大小上存在上限。

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。

这项调查表明，在算术电路复杂性，结构化矩阵和深度学习的交集中，一定是不完整的（偏见）概述的结果。最近，有一些研究活动在通过结构化的网络中代替神经网络中的非结构化重量矩阵（目的是减少相应的深度学习模型的大小）。这项工作的大部分都是实验性的，在这项调查中，我们将研究问题正式化，并展示了最新的工作如何结合算术电路复杂性，结构化矩阵和深度学习，从本质上回答了这个问题。这项调查针对的是复杂的理论家，他们可能喜欢阅读有关算术电路复杂性中开发的工具如何帮助设计（据我们所知）一个新的结构化矩阵家族，这反过来又非常适合深度学习。但是，我们希望主要对深度学习感兴趣的人们也会欣赏与复杂性理论的联系。

本文研究了人工神经网络（NNS）与整流线性单元的表现力。为了将它们作为实际计算的模型，我们介绍了最大仿射算术计划的概念，并显示了它们与NNS之间的等效性有关自然复杂度措施。然后我们使用此结果表明，使用多项式NNS可以解决两个基本组合优化问题，这相当于非常特殊的强多项式时间算法。首先，我们显示，对于带有N $节点的任何无向图形，有一个NN大小$ \ Mathcal {O}（n ^ 3）$，它将边缘权重用为输入，计算最小生成树的值图表。其次，我们显示，对于任何带有$ N $节点和$ M $弧的任何定向图，都有一个尺寸$ \ mathcal {o}（m ^ 2n ^ 2）$，它将电弧容量作为输入和计算最大流量。这些结果尤其尤其暗示，相应的参数优化问题的解决方案可以在多项式空间中编码所有边缘权重或电弧容量的方法，并在多项式时间中进行评估，并且由NN提供这种编码。

我们证明了通过通过嘈杂梯度下降（GD）训练的神经网络学习的计算限制。每当GD培训是模棱两可的（对于许多标准架构）时，我们的结果就适用，并量化架构和数据之间所需的对齐方式，以便GD学习。作为应用程序，（i）我们表征了完全连接的网络可以在二进制HyperCube和单位球体上弱的功能，这表明Depth-2与此任务的任何其他深度一样强大；（ii）我们将与潜在的低维结构[ABM22]学习的合并楼梯必需结果扩展到均值野外状态之外。我们的技术扩展到随机梯度下降（SGD），为此，我们基于加密假设，通过完全连接的网络来显示非平凡的硬度结果。

我们对解决几个自然学习问题的一通流算法所需的记忆量给出了下限。在$ \ {0,1 \}^d $中的示例的环境中，可以使用$ \ kappa $ bits对最佳分类器进行编码，我们表明，使用近距离数量的示例学习的算法，$ \ tilde o（\ kappa）$，必须使用$ \ tilde \ omega（d \ kappa）$空间。我们的空间界限与问题自然参数化的环境空间的维度相匹配，即使在示例和最终分类器的大小上是二次的。例如，在$ d $ -sparse线性分类器的设置中，$ \ kappa = \ theta（d \ log d）$，我们的空间下限是$ \ tilde \ omega（d^^^ 2）$。我们的边界与流长$ n $优雅地降级，通常具有$ \ tilde \ omega \ left（d \ kappa \ cdot \ frac \ frac {\ kappa} {n} {n} \ right）$。 $ \ omega（d \ kappa）$的形式的界限以学习奇偶校验和有限字段定义的其他问题而闻名。在狭窄的样本量范围内适用的边界也以线性回归而闻名。对于最近学习应用程序中常见的类型的问题，我们的第一个范围是适用于各种输入尺寸的问题。