深度重新结合因实现最新的机器学习任务而被认可。但是，这些体系结构的出色性能取决于培训程序，需要精心制作以避免消失或爆炸梯度，尤其是随着深度$ l $的增加。关于如何减轻此问题，尚无共识，尽管广泛讨论的策略在于将每一层的输出缩放为$ \ alpha_l $。我们在概率环境中显示标准I.I.D.初始化，唯一的非平凡动力学是$ \ alpha_l = 1/\ sqrt {l} $（其他选择导致爆炸或身份映射）。该缩放因子在连续的时间限制中对应于神经随机微分方程，这与广泛的解释相反，即深度重新连接是神经普通微分方程的离散化。相比之下，在后一种制度中，具有特定相关初始化和$ \ alpha_l = 1/l $获得稳定性。我们的分析表明，与层指数的函数之间的缩放比例和规律性之间存在很强的相互作用。最后，在一系列实验中，我们表现出由这两个参数驱动的连续范围，这在训练之前和之后会共同影响性能。

为了理论上了解训练有素的深神经网络的行为，有必要研究来自随机初始化的梯度方法引起的动态。然而，这些模型的非线性和组成结构使得这些动态难以分析。为了克服这些挑战，最近出现了大宽度的渐近学作为富有成效的观点，并导致了对真实世界的深网络的实用洞察。对于双层神经网络，已经通过这些渐近学理解，训练模型的性质根据初始随机权重的规模而变化，从内核制度（大初始方差）到特征学习制度（对于小初始方差）。对于更深的网络，更多的制度是可能的，并且在本文中，我们详细研究了与神经网络的“卑鄙字段”限制相对应的“小”初始化的特定选择，我们称之为可分配的参数化（IP）。首先，我们展示了标准I.I.D.零平均初始化，具有多于四个层的神经网络的可集参数，从无限宽度限制的静止点开始，并且不会发生学习。然后，我们提出了各种方法来避免这种琐碎的行为并详细分析所得到的动态。特别是，这些方法中的一种包括使用大的初始学习速率，并且我们表明它相当于最近提出的最大更新参数化$ \ mu $ p的修改。我们将结果与图像分类任务的数值实验确认，其另外显示出在尚未捕获的激活功能的各种选择之间的行为中的强烈差异。

We investigate the asymptotic properties of deep Residual networks (ResNets) as the number of layers increases. We first show the existence of scaling regimes for trained weights markedly different from those implicitly assumed in the neural ODE literature. We study the convergence of the hidden state dynamics in these scaling regimes, showing that one may obtain an ODE, a stochastic differential equation (SDE) or neither of these. In particular, our findings point to the existence of a diffusive regime in which the deep network limit is described by a class of stochastic differential equations (SDEs). Finally, we derive the corresponding scaling limits for the backpropagation dynamics.

The logit outputs of a feedforward neural network at initialization are conditionally Gaussian, given a random covariance matrix defined by the penultimate layer. In this work, we study the distribution of this random matrix. Recent work has shown that shaping the activation function as network depth grows large is necessary for this covariance matrix to be non-degenerate. However, the current infinite-width-style understanding of this shaping method is unsatisfactory for large depth: infinite-width analyses ignore the microscopic fluctuations from layer to layer, but these fluctuations accumulate over many layers. To overcome this shortcoming, we study the random covariance matrix in the shaped infinite-depth-and-width limit. We identify the precise scaling of the activation function necessary to arrive at a non-trivial limit, and show that the random covariance matrix is governed by a stochastic differential equation (SDE) that we call the Neural Covariance SDE. Using simulations, we show that the SDE closely matches the distribution of the random covariance matrix of finite networks. Additionally, we recover an if-and-only-if condition for exploding and vanishing norms of large shaped networks based on the activation function.

我们研究了在高维度中具有恒定步骤的随机梯度下降（SGD）的缩放限制。我们证明，随着尺寸为无穷大，SGD的摘要统计轨迹（即有限维函数）的轨迹限制了定理。我们的方法允许人们选择所跟踪的摘要统计信息，初始化和步进尺寸。它同时产生弹道（ODE）和扩散（SDE）极限，其极限取决于以前的选择。有趣的是，我们发现了阶梯尺寸的临界缩放机制，在该尺寸下，有效的弹道动力学与人口损失相匹配，但是在此期间，出现了一个新的校正项，从而改变了相图。关于这种有效动力学的固定点，相应的扩散极限可能非常复杂，甚至退化。我们在流行示例中演示了我们的方法，包括估算峰值矩阵和张量模型以及通过两层网络进行二进制和XOR型高斯混合模型的分类。这些示例表现出令人惊讶的现象，包括多模式的时间尺度到收敛以及融合到亚最佳溶液中，概率从随机（例如高斯）初始化范围内偏离零。

近似消息传递（AMP）是解决高维统计问题的有效迭代范式。但是，当迭代次数超过$ o \ big（\ frac {\ log n} {\ log log \ log \ log n} \时big）$（带有$ n $问题维度）。为了解决这一不足，本文开发了一个非吸附框架，用于理解峰值矩阵估计中的AMP。基于AMP更新的新分解和可控的残差项，我们布置了一个分析配方，以表征在存在独立初始化的情况下AMP的有限样本行为，该过程被进一步概括以进行光谱初始化。作为提出的分析配方的两个具体后果：（i）求解$ \ mathbb {z} _2 $同步时，我们预测了频谱初始化AMP的行为，最高为$ o \ big（\ frac {n} {\ mathrm {\ mathrm { poly} \ log n} \ big）$迭代，表明该算法成功而无需随后的细化阶段（如最近由\ citet {celentano2021local}推测）; （ii）我们表征了稀疏PCA中AMP的非反应性行为（在尖刺的Wigner模型中），以广泛的信噪比。

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。

深度分离结果提出了对深度神经网络过较浅的架构的好处的理论解释，建立前者具有卓越的近似能力。然而，没有已知的结果，其中更深的架构利用这种优势成为可提供的优化保证。我们证明，当数据由具有满足某些温和假设的径向对称的分布产生的数据时，梯度下降可以使用具有两层S形激活的深度2神经网络有效地学习球指示器功能，并且隐藏层固定在一起训练。由于众所周知，当使用用单层非线性的深度2网络（Safran和Shamir，2017）使用深度2网络时，球指示器难以近似于一定的重型分配，这建立了我们最好的知识，基于第一优化的分离结果，其中近似架构的近似效益在实践中可怕的。我们的证明技术依赖于随机特征方法，该方法减少了用单个神经元学习的问题，其中新工具需要在数据分布重尾时显示梯度下降的收敛。

Gradient descent finds a global minimum in training deep neural networks despite the objective function being non-convex. The current paper proves gradient descent achieves zero training loss in polynomial time for a deep overparameterized neural network with residual connections (ResNet). Our analysis relies on the particular structure of the Gram matrix induced by the neural network architecture. This structure allows us to show the Gram matrix is stable throughout the training process and this stability implies the global optimality of the gradient descent algorithm. We further extend our analysis to deep residual convolutional neural networks and obtain a similar convergence result.

在一个拟合训练数据的深度神经网络（NN）中找到参数是一个非渗透优化问题，但基本的一阶优化方法（梯度下降）在许多实际情况下，具有完美拟合（零损失）的全局优化器。我们在限制性制度中检查残留神经网络（Reset）的剩余神经网络（Reset）的情况的这种现象，其中每个层（宽度）的层数（深度）和权重的数量均转到无穷大。首先，我们使用平均场限制参数来证明参数训练的梯度下降成为概率分布的梯度流，其特征在于大NN限制中的部分微分方程（PDE）。接下来，我们表明，在某些假设下，PDE的解决方案在训练时间内收敛到零损失解决方案。这些结果表明，如果Reset足够大，则reset的培训给出了近零损失。我们给出了减少给定阈值以下低于给定阈值的损失所需的深度和宽度的估计值。

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。

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。

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.

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 $）。

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。

Whilst deep neural networks have shown great empirical success, there is still much work to be done to understand their theoretical properties. In this paper, we study the relationship between random, wide, fully connected, feedforward networks with more than one hidden layer and Gaussian processes with a recursive kernel definition. We show that, under broad conditions, as we make the architecture increasingly wide, the implied random function converges in distribution to a Gaussian process, formalising and extending existing results by Neal (1996) to deep networks. To evaluate convergence rates empirically, we use maximum mean discrepancy. We then compare finite Bayesian deep networks from the literature to Gaussian processes in terms of the key predictive quantities of interest, finding that in some cases the agreement can be very close. We discuss the desirability of Gaussian process behaviour and review non-Gaussian alternative models from the literature. 1

训练神经网络的一种常见方法是将所有权重初始化为独立的高斯向量。我们观察到，通过将权重初始化为独立对，每对由两个相同的高斯向量组成，我们可以显着改善收敛分析。虽然已经研究了类似的技术来进行随机输入[Daniely，Neurips 2020]，但尚未使用任意输入进行分析。使用此技术，我们展示了如何显着减少两层relu网络所需的神经元数量，均在逻辑损失的参数化设置不足的情况下，大约$ \ gamma^{ - 8} $ [Ji and telgarsky，ICLR， 2020]至$ \ gamma^{ - 2} $，其中$ \ gamma $表示带有神经切线内核的分离边距，以及在与平方损失的过度参数化设置中，从大约$ n^4 $ [song [song]和Yang，2019年]至$ n^2 $，隐含地改善了[Brand，Peng，Song和Weinstein，ITCS 2021]的近期运行时间。对于参数不足的设置，我们还证明了在先前工作时改善的新下限，并且在某些假设下是最好的。

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.

神经普通微分方程（神经ODE）是残留神经网络（RESNETS）的连续类似物。我们研究了重新NET定义的离散动力学是否接近连续的神经颂歌。我们首先量化了Resnet的隐藏状态轨迹与其相应神经ODE的解之间的距离。我们的界限很紧，在负面的一侧，如果残留函数的深度不光滑，则不会以深度为0。在正面，我们表明这种平滑度是通过梯度下降来保留的，该梯度下降具有线性残留功能和足够小的初始损失的重新系统。它确保在n上以1的速率1均匀地沿速率1的速率和优化时间对极限神经的隐式正则化。作为我们分析的副产品，我们考虑使用不含内存的离散伴随方法来训练重新NET，通过通过网络的向后传动恢复激活，并证明该方法理论上在大深度上取得了成功，如果残留功能是带有输入的Lipschitz。然后，我们证明HEUN的方法是一种二阶Ode集成方案，当残留函数及其深度平滑时，使用伴随方法进行更好的梯度估计。我们通过实验验证我们的伴随方法在很大程度上取得了成功，并且Heun方法需要更少的层才能成功。我们最终成功地使用了伴随方法来微调非常深的重新连接，而无需残留层的内存消耗。

了解培训算法的隐含偏差至关重要，以解释过度分化的神经网络的成功。在本文中，我们通过连续时间版本，即随机梯度流来研究对对角线线性网络的随机梯度下降的动态。我们明确地表征了随机流动选择的解决方案，并证明它总是享有比梯度流量更好的泛化特性。令人惊讶的是，我们表明训练损失的收敛速度控制了偏置效果的大小：收敛速度较慢，偏置越好。要完全完成我们的分析，我们提供动态的收敛保证。我们还提供了支持我们的理论索赔的实验结果。我们的研究结果强调了结构化噪音可以引起更好的概括，并且它们有助于解释在梯度下降的随机梯度下降方面观察到的更大表现。