单调功能和数据集在各种应用中都会出现。我们研究单调数据集的插值问题：输入是带有$ n $点的单调数据集，目标是找到一个大小和深度有效的单调神经网络，具有非负参数和阈值单元，可以插入数据放。我们表明，单调数据集无法通过深度$ 2 $的单调网络插值。另一方面，我们证明，对于每个单调数据集，在$ \ mathbb {r}^d $中$ n $点，存在一个插值的单调网络，该网络的深度为$ 4 $ $ 4 $和size $ o（nd）$。我们的插值结果意味着，每个单调功能超过$ [0,1]^d $可以通过DEPTH-4单调网络任意地近似，从而改善了先前最著名的深度构建$ d+1 $。最后，基于布尔电路复杂性的结果，我们表明，当近似单调函数时，具有正参数的电感偏差会导致神经元数量的超顺式爆炸。

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.

在本文中，我们在具有线性阈值激活功能的神经网络上提出了新的结果。我们精确地表征了这种神经网络可表示的功能，并且显示2个隐藏层是必要的并且足以表示类中可表示的任何功能。鉴于使用其他流行的激活功能的神经网络的最近精确的可比性调查，这是一个令人惊讶的结果，这些功能使用其他流行的激活功能，如整流的线性单元（Relu）。我们还给出了代表类中任意函数所需的神经网络的大小的精确界限。最后，我们设计了一种算法来解决具有固定架构的这些神经网络的全球最优性的经验风险最小化（ERM）问题。如果输入维度和网络架构的大小被认为是固定常数，则算法的运行时间是数据样本大小的多项式。该算法的意义上是独一无二的，即它适用于任何数量的层数，而先前的多项式时间全局最佳算法仅适用于非常受限制的架构类。

We study expressive power of shallow and deep neural networks with piece-wise linear activation functions. We establish new rigorous upper and lower bounds for the network complexity in the setting of approximations in Sobolev spaces. In particular, we prove that deep ReLU networks more efficiently approximate smooth functions than shallow networks. In the case of approximations of 1D Lipschitz functions we describe adaptive depth-6 network architectures more efficient than the standard shallow architecture.

模型提取攻击已经再次兴趣了解来自查询的神经网络的经典问题。在这项工作中，我们给出了学习任意一个隐藏层神经网络激活的第一个多项式时间算法，提供了对网络的黑盒访问。正式，我们表明，如果$ F $是一个具有Relu激活的任意一个隐藏的层神经网络，则存在一个具有Query复杂性和运行时间的算法，这些复杂性和运行时间在所有参数中输出网络$ f'$实现低平方丢失相对达到高斯措施的$ F $。虽然安全文献中的许多作品已经提出和经验证明了某些算法的有效性，但是，即使对于最坏情况的网络，我们也是最完全多项式时间对效率保证的影响（特别是我们的算法在整个算法中取得成功）环境）。

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。

我们研究神经网络的基于规范的统一收敛范围，旨在密切理解它们如何受到规范约束的架构和类型的影响，对于简单的标量价值一类隐藏的一层网络，并在其中界定了输入。欧几里得规范。我们首先证明，通常，控制隐藏层重量矩阵的光谱规范不足以获得均匀的收敛保证（与网络宽度无关），而更强的Frobenius Norm Control是足够的，扩展并改善了以前的工作。在证明构造中，我们识别和分析了两个重要的设置，在这些设置中（可能令人惊讶）仅光谱规范控制就足够了：首先，当网络的激活函数足够平滑时（结果扩展到更深的网络）；其次，对于某些类型的卷积网络。在后一种情况下，我们研究样品复杂性如何受到参数的影响，例如斑块之间的重叠量和斑块的总数。

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。

我们研究神经网络表达能力的基本限制。给定两组$ f $，$ g $的实值函数，我们首先证明了$ f $中的功能的一般下限，可以在$ l^p（\ mu）$ norm中通过$ g中的功能近似$，对于任何$ p \ geq 1 $和任何概率度量$ \ mu $。下限取决于$ f $的包装数，$ f $的范围以及$ g $的脂肪震动尺寸。然后，我们实例化了$ g $对应于分段的馈电神经网络的情况，并详细描述了两组$ f $：h {\“ o} lder balls和多变量单调函数。除了匹配（已知或新的）上限与日志因素外，我们的下限还阐明了$ l^p $ Norm或SUP Norm中近似之间的相似性或差异，解决了Devore等人的开放问题（2021年））。我们的证明策略与SUP Norm案例不同，并使用了Mendelson（2002）的关键概率结果。

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。

在这项工作中，我们展示了对称神经网络体系结构之间的新型分离。具体而言，我们将关系网络〜\ parencite {santoro2017simple}架构视为对深度群体的自然概括〜\ parencite {zaheer2017deep}架构，并研究了他们的代表性差距。在限制分析激活函数的限制下，我们构建了一个对称函数，该功能在尺寸$ n $的集合上具有尺寸$ d $中的元素，以前的架构可以有效地近似，但事实证明需要$ n $和$的宽度指数D $为后者。

我们研究了深层神经网络的表达能力，以在扩张的转移不变空间中近似功能，这些空间被广泛用于信号处理，图像处理，通信等。相对于神经网络的宽度和深度估算了近似误差界限。网络构建基于深神经网络的位提取和数据拟合能力。作为我们主要结果的应用，获得了经典函数空间（例如Sobolev空间和BESOV空间）的近似速率。我们还给出了$ l^p（1 \ le p \ le \ infty）$近似误差的下限，这表明我们的神经网络的构建是渐近的最佳选择，即最大程度地达到对数因素。

本文开发了简单的前馈神经网络，实现了所有连续功能的通用近似性，具有固定的有限数量的神经元。这些神经网络很简单，因为它们的设计具有简单且可增加的连续激活功能$ \ Sigma $利用三角波函数和软片功能。我们证明了$ \ Sigma $ -Activated网络，宽度为36d $ 36d（2d + 1）$和11 $ 11 $可以在任意小错误中估计$ d $ -dimensioanl超级函数上的任何连续功能。因此，对于监督学习及其相关的回归问题，这些网络产生的假设空间，尺寸不小于36d（2d + 1）\ times 11 $的持续功能的空间。此外，由图像和信号分类引起的分类函数在$ \ sigma $ -activated网络生成的假设空间中，宽度为36d（2d + 1）$和12 $ 12 $，当存在$ \的成对不相交的界限子集时mathbb {r} ^ d $，使得同一类的样本位于同一子集中。

众所周知，$ O（n）$参数足以让神经网络记住任意$ N $ INPUT-LABE标签对。通过利用深度，我们显示$ O（n ^ {2/3}）$参数足以在输入点的分离的温和条件下记住$ n $对。特别是，更深的网络（即使是宽度为3美元），也会显示比浅网络更有成对，这也同意最近的作品对函数近似的深度的好处。我们还提供支持我们理论发现的经验结果。

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.

神经网络的通用近似特性（UAP）对于深度学习至关重要，众所周知，广泛的神经网络是$ l^p $ norm和连续/统一规范中连续功能的通用近似概要。但是，确切的最小宽度，$ w _ {\ min} $，尚未对UAP进行彻底研究。最近，使用解码器模式编码器方案，\ citet {park2021mimine}发现$ w _ {\ min} = \ max（d_x+1，d_y）$ for $ l^p $ up of relu Networks和the $ c $ - relu+step网络，其中$ d_x，d_y $分别是输入和输出尺寸。在本文中，我们考虑具有任意激活功能的神经网络。我们证明，紧凑型域上功能的$ c $ uap和$ l^p $ -uap共享最小宽度的通用下限；也就是说，$ w^*_ {\ min} = \ max（d_x，d_y）$。特别是，只要输入或输出尺寸大于一个，就可以通过泄漏的relu网络来实现临界宽度，$ w^*_ {\ min} $，可以通过泄漏的relu网络来实现。我们的构建基于神经普通微分方程的近似能力以及通过神经网络近似流量图的能力。还讨论了非单极管或不连续的激活函数情况和一维情况。

众所周知，现代神经网络容易受到对抗例子的影响。为了减轻这个问题，已经提出了一系列强大的学习算法。但是，尽管通过某些方法可以通过某些方法接近稳定的训练误差，但所有现有的算法都会导致较高的鲁棒概括误差。在本文中，我们从深层神经网络的表达能力的角度提供了对这种令人困惑的现象的理论理解。具体而言，对于二进制分类数据，我们表明，对于Relu网络，虽然轻度的过度参数足以满足较高的鲁棒训练精度，但存在持续的稳健概括差距，除非神经网络的大小是指数的，却是指数的。数据维度$ d $。即使数据是线性可分离的，这意味着要实现低清洁概括错误很容易，我们仍然可以证明$ \ exp（{\ omega}（d））$下限可用于鲁棒概括。通常，只要它们的VC维度最多是参数数量，我们的指数下限也适用于各种神经网络家族和其他功能类别。此外，我们为网络大小建立了$ \ exp（{\ mathcal {o}}（k））$的改进的上限，当数据放在具有内在尺寸$ k $的歧管上时，以实现低鲁棒的概括错误（$） k \ ll d $）。尽管如此，我们也有一个下限，相对于$ k $成倍增长 - 维度的诅咒是不可避免的。通过证明网络大小之间的指数分离以实现较低的鲁棒训练和泛化错误，我们的结果表明，鲁棒概括的硬度可能源于实用模型的表现力。

Consider the multivariate nonparametric regression model. It is shown that estimators based on sparsely connected deep neural networks with ReLU activation function and properly chosen network architecture achieve the minimax rates of convergence (up to log nfactors) under a general composition assumption on the regression function. The framework includes many well-studied structural constraints such as (generalized) additive models. While there is a lot of flexibility in the network architecture, the tuning parameter is the sparsity of the network. Specifically, we consider large networks with number of potential network parameters exceeding the sample size. The analysis gives some insights into why multilayer feedforward neural networks perform well in practice. Interestingly, for ReLU activation function the depth (number of layers) of the neural network architectures plays an important role and our theory suggests that for nonparametric regression, scaling the network depth with the sample size is natural. It is also shown that under the composition assumption wavelet estimators can only achieve suboptimal rates.

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。