Various forms of regularization in learning tasks strive for different notions of simplicity. This paper presents a spectral regularization technique, which attaches a unique inductive bias to sequence modeling based on an intuitive concept of simplicity defined in the Chomsky hierarchy. From fundamental connections between Hankel matrices and regular grammars, we propose to use the trace norm of the Hankel matrix, the tightest convex relaxation of its rank, as the spectral regularizer. To cope with the fact that the Hankel matrix is bi-infinite, we propose an unbiased stochastic estimator for its trace norm. Ultimately, we demonstrate experimental results on Tomita grammars, which exhibit the potential benefits of spectral regularization and validate the proposed stochastic estimator.

在本文中，我们在不同研究领域使用的三种模型之间存在联系：来自正式语言和语言学的加权有限自动机〜（WFA），机器学习中使用的经常性神经网络，以及张量网络，包括一组高处的优化技术量子物理学和数值分析中使用的顺序张量。我们首先介绍WFA与张力列车分解，特定形式的张量网络之间的内在关系。该关系允许我们展示由WFA计算的函数的Hankel矩阵的新型低级结构，并设计利用这种结构的有效光谱学习算法来扩展到非常大的Hankel矩阵。我们将解开基本连接在WFA和第二阶逆转神经网络之间〜（2-RNN）：在离散符号的序列的情况下，具有线性激活功能的WFA和2-RNN是表现性的。利用该等效结果与加权自动机的经典频谱学习算法相结合，我们介绍了在连续输入向量序列上定义的线性2-RNN的第一可提供学习算法。本算法依赖于Hankel Tensor的低等级子块，可以从中可以从中恢复线性2-RNN的参数。在综合性和现实世界数据的仿真研究中评估了所提出的学习算法的性能。

加权有限自动机（WFA）已广泛应用于许多领域。 WFA的经典问题之一是对离散符号序列的概率分布估计。尽管已扩展了WFA以处理连续输入数据，即连续WFA（CWFA），但由于使用基于WFA的模型，如何将密度函数近似于连续随机变量的序列，这是由于限制了模型的表现。以及通过CWFA的近似密度函数的障碍性。在本文中，我们提出了对CWFA模型的非线性扩展，以提高其表现力，我们将其称为非线性连续WFA（NCWFAS）。然后，我们利用所谓的RNADE方法，该方法是基于神经网络的众所周知的密度估计器，并提出了RNADE-NCWFA模型。 RNADE-NCWFA模型通过设计计算密度函数。我们表明，该模型比CWFA无法近似的高斯HMM模型严格表现得更具表现力。从经验上讲，我们使用高斯HMM生成的数据进行了合成实验。我们专注于评估模型估计长度序列的密度（长度长于训练数据）的能力。我们观察到我们的模型在比较基线方法中表现最好。

We define notions of stability for learning algorithms and show how to use these notions to derive generalization error bounds based on the empirical error and the leave-one-out error. The methods we use can be applied in the regression framework as well as in the classification one when the classifier is obtained by thresholding a real-valued function. We study the stability properties of large classes of learning algorithms such as regularization based algorithms. In particular we focus on Hilbert space regularization and Kullback-Leibler regularization. We demonstrate how to apply the results to SVM for regression and classification.1. For a qualitative discussion about sensitivity analysis with links to other resources see e.g. http://sensitivity-analysis.jrc.cec.eu.int/

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。

Language modeling, a central task in natural language processing, involves estimating a probability distribution over strings. In most cases, the estimated distribution sums to 1 over all finite strings. However, in some pathological cases, probability mass can ``leak'' onto the set of infinite sequences. In order to characterize the notion of leakage more precisely, this paper offers a measure-theoretic treatment of language modeling. We prove that many popular language model families are in fact tight, meaning that they will not leak in this sense. We also generalize characterizations of tightness proposed in previous works.

Many machine learning problems encode their data as a matrix with a possibly very large number of rows and columns. In several applications like neuroscience, image compression or deep reinforcement learning, the principal subspace of such a matrix provides a useful, low-dimensional representation of individual data. Here, we are interested in determining the $d$-dimensional principal subspace of a given matrix from sample entries, i.e. from small random submatrices. Although a number of sample-based methods exist for this problem (e.g. Oja's rule \citep{oja1982simplified}), these assume access to full columns of the matrix or particular matrix structure such as symmetry and cannot be combined as-is with neural networks \citep{baldi1989neural}. In this paper, we derive an algorithm that learns a principal subspace from sample entries, can be applied when the approximate subspace is represented by a neural network, and hence can be scaled to datasets with an effectively infinite number of rows and columns. Our method consists in defining a loss function whose minimizer is the desired principal subspace, and constructing a gradient estimate of this loss whose bias can be controlled. We complement our theoretical analysis with a series of experiments on synthetic matrices, the MNIST dataset \citep{lecun2010mnist} and the reinforcement learning domain PuddleWorld \citep{sutton1995generalization} demonstrating the usefulness of our approach.

该博士学位论文的中心对象是在计算机科学和统计力学领域的不同名称中以不同名称而闻名的。在计算机科学中，它被称为“最大切割问题”，这是著名的21个KARP的原始NP硬性问题之一，而物理学的相同物体称为Ising Spin Glass模型。这种丰富的结构的模型通常是减少或重新制定计算机科学，物理和工程学的现实问题。但是，准确地求解此模型（查找最大剪切或基态）可能会留下一个棘手的问题（除非$ \ textit {p} = \ textit {np} $），并且需要为每一个开发临时启发式学特定的实例家庭。离散和连续优化之间的明亮而美丽的连接之一是一种基于半限定编程的圆形方案，以最大程度地切割。此过程使我们能够找到一个近乎最佳的解决方案。此外，该方法被认为是多项式时间中最好的。在本论文的前两章中，我们研究了旨在改善舍入方案的局部非凸照。在本文的最后一章中，我们迈出了一步，并旨在控制我们想要在前几章中解决的问题的解决方案。我们在Ising模型上制定了双层优化问题，在该模型中，我们希望尽可能少地调整交互作用，以使所得ISING模型的基态满足所需的标准。大流行建模出现了这种问题。我们表明，当相互作用是非负的时，我们的双层优化是在多项式时间内使用凸编程来解决的。

在本文中，我们提供了有关Hankel低级近似和完成工作的综述和书目，特别强调了如何将这种方法用于时间序列分析和预测。我们首先描述问题的可能表述，并就获得全球最佳解决方案的相关主题和挑战提供评论。提供了关键定理，并且纸张以一些说明性示例关闭。

Jacobian and Hessian regularization aim to reduce the magnitude of the first and second-order partial derivatives with respect to neural network inputs, and they are predominantly used to ensure the adversarial robustness of image classifiers. In this work, we generalize previous efforts by extending the target matrix from zero to any matrix that admits efficient matrix-vector products. The proposed paradigm allows us to construct novel regularization terms that enforce symmetry or diagonality on square Jacobian and Hessian matrices. On the other hand, the major challenge for Jacobian and Hessian regularization has been high computational complexity. We introduce Lanczos-based spectral norm minimization to tackle this difficulty. This technique uses a parallelized implementation of the Lanczos algorithm and is capable of effective and stable regularization of large Jacobian and Hessian matrices. Theoretical justifications and empirical evidence are provided for the proposed paradigm and technique. We carry out exploratory experiments to validate the effectiveness of our novel regularization terms. We also conduct comparative experiments to evaluate Lanczos-based spectral norm minimization against prior methods. Results show that the proposed methodologies are advantageous for a wide range of tasks.

我们开发机器以设计有效的可计算和一致的估计，随着观察人数而达到零的估计误差，因为观察的次数增长，当面对可能损坏的答复，除了样本的所有品，除了每种量之外的ALL。作为具体示例，我们调查了两个问题：稀疏回归和主成分分析（PCA）。对于稀疏回归，我们实现了最佳样本大小的一致性$ n \ gtrsim（k \ log d）/ \ alpha ^ $和最佳错误率$ o（\ sqrt {（k \ log d）/（n \ cdot \ alpha ^ 2））$ N $是观察人数，$ D $是尺寸的数量，$ k $是参数矢量的稀疏性，允许在数量的数量中为逆多项式进行逆多项式样品。在此工作之前，已知估计是一致的，当Inliers $ \ Alpha $ IS $ O（1 / \ log \ log n）$，即使是（非球面）高斯设计矩阵时也是一致的。结果在弱设计假设下持有，并且在这种一般噪声存在下仅被D'Orsi等人最近以密集的设置（即一般线性回归）显示。 [DNS21]。在PCA的上下文中，我们在参数矩阵上的广泛尖端假设下获得最佳错误保证（通常用于矩阵完成）。以前的作品可以仅在假设下获得非琐碎的保证，即与最基于的测量噪声以$ n $（例如，具有方差1 / n ^ 2 $的高斯高斯）。为了设计我们的估算，我们用非平滑的普通方（如$ \ ell_1 $ norm或核规范）装备Huber丢失，并以一种新的方法来分析损失的新方法[DNS21]的方法[DNS21]。功能。我们的机器似乎很容易适用于各种估计问题。

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。

这是一门专门针对STEM学生开发的介绍性机器学习课程。我们的目标是为有兴趣的读者提供基础知识，以在自己的项目中使用机器学习，并将自己熟悉术语作为进一步阅读相关文献的基础。在这些讲义中，我们讨论受监督，无监督和强化学习。注释从没有神经网络的机器学习方法的说明开始，例如原理分析，T-SNE，聚类以及线性回归和线性分类器。我们继续介绍基本和先进的神经网络结构，例如密集的进料和常规神经网络，经常性的神经网络，受限的玻尔兹曼机器，（变性）自动编码器，生成的对抗性网络。讨论了潜在空间表示的解释性问题，并使用梦和对抗性攻击的例子。最后一部分致力于加强学习，我们在其中介绍了价值功能和政策学习的基本概念。

过度分辨的神经网络概括井，但训练昂贵。理想情况下，人们希望减少其计算成本，同时保留其概括的益处。稀疏的模型培训是实现这一目标的简单和有希望的方法，但随着现有方法与准确性损失，慢速训练运行时的困难或困难，仍然存在挑战，仍然存在困难的挑战。核心问题是，在离散的一组稀疏矩阵上搜索稀疏性掩模是困难和昂贵的。为了解决此问题，我们的主要见解是通过具有称为蝴蝶矩阵产品的固定结构的固定结构来优化优化稀疏矩阵的连续超集。随着蝴蝶矩阵不是硬件效率，我们提出了简单的蝴蝶（块和平坦）的变体来利用现代硬件。我们的方法（像素化蝴蝶）使用基于扁平块蝴蝶和低秩矩阵的简单固定稀疏模式，以缩小大多数网络层（例如，注意，MLP）。我们经验验证了像素化蝴蝶比蝴蝶快3倍，加快培训，以实现有利的准确性效率权衡。在ImageNet分类和Wikitext-103语言建模任务中，我们的稀疏模型训练比致密的MLP - 混频器，视觉变压器和GPT-2媒体更快地训练高达2.5倍，没有精确下降。

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.

算法高斯化是一种现象，当使用随机素描或采样方法生成较小的大数据集的较小表示时，可能会出现的现象：对于某些任务，已经观察到这些草图表示表现出许多可靠的性能特征，这些性能是在数据样本中出现的，这些性能来自次高斯随机设计，是一个强大的数据分布统计模型。但是，这种现象仅研究了特定的任务和指标，或依靠计算昂贵的方法。我们通过为平均值提供用于高斯数据分布的算法框架来解决这一问题，并证明可以有效构建几乎无法区分的数据草图（与亚高斯随机设计有关的总变化距离）。特别是，依靠最近引入的素描技术称为杠杆得分稀疏（少）嵌入，我们表明一个人可以构造$ n \ times d $矩阵$ a $的$ n \ times d $ sketch of $ n \ times d $ n \ ll n $，几乎与次高斯设计几乎没有区别$ a $中的非零条目的数量。结果，可以直接适用于我们的草图框架，可直接适用于我们的草图框架。我们通过对草图最小二乘正方形的新近似保证进行了说明。

Low-rank matrix approximations, such as the truncated singular value decomposition and the rank-revealing QR decomposition, play a central role in data analysis and scientific computing. This work surveys and extends recent research which demonstrates that randomization offers a powerful tool for performing low-rank matrix approximation. These techniques exploit modern computational architectures more fully than classical methods and open the possibility of dealing with truly massive data sets.This paper presents a modular framework for constructing randomized algorithms that compute partial matrix decompositions. These methods use random sampling to identify a subspace that captures most of the action of a matrix. The input matrix is then compressed-either explicitly or implicitly-to this subspace, and the reduced matrix is manipulated deterministically to obtain the desired low-rank factorization. In many cases, this approach beats its classical competitors in terms of accuracy, speed, and robustness. These claims are supported by extensive numerical experiments and a detailed error analysis.The specific benefits of randomized techniques depend on the computational environment. Consider the model problem of finding the k dominant components of the singular value decomposition of an m × n matrix. (i) For a dense input matrix, randomized algorithms require O(mn log(k)) floating-point operations (flops) in contrast with O(mnk) for classical algorithms. (ii) For a sparse input matrix, the flop count matches classical Krylov subspace methods, but the randomized approach is more robust and can easily be reorganized to exploit multi-processor architectures. (iii) For a matrix that is too large to fit in fast memory, the randomized techniques require only a constant number of passes over the data, as opposed to O(k) passes for classical algorithms. In fact, it is sometimes possible to perform matrix approximation with a single pass over the data.

许多实际优化问题涉及不确定的参数，这些参数具有概率分布，可以使用上下文特征信息来估算。与首先估计不确定参数的分布然后基于估计优化目标的标准方法相反，我们提出了一个\ textIt {集成条件估计 - 优化}（ICEO）框架，该框架估计了随机参数的潜在条件分布同时考虑优化问题的结构。我们将随机参数的条件分布与上下文特征之间的关系直接建模，然后以与下游优化问题对齐的目标估算概率模型。我们表明，我们的ICEO方法在适度的规律性条件下渐近一致，并以概括范围的形式提供有限的性能保证。在计算上，使用ICEO方法执行估计是一种非凸面且通常是非差异的优化问题。我们提出了一种通用方法，用于近似从估计的条件分布到通过可区分函数的最佳决策的潜在非差异映射，这极大地改善了应用于非凸问题的基于梯度的算法的性能。我们还提供了半代理案例中的多项式优化解决方案方法。还进行了数值实验，以显示我们在不同情况下的方法的经验成功，包括数据样本和模型不匹配。

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。

We consider a problem of considerable practical interest: the recovery of a data matrix from a sampling of its entries. Suppose that we observe m entries selected uniformly at random from a matrix M . Can we complete the matrix and recover the entries that we have not seen?We show that one can perfectly recover most low-rank matrices from what appears to be an incomplete set of entries. We prove that if the number m of sampled entries obeys m ≥ C n 1.2 r log n for some positive numerical constant C, then with very high probability, most n × n matrices of rank r can be perfectly recovered by solving a simple convex optimization program. This program finds the matrix with minimum nuclear norm that fits the data. The condition above assumes that the rank is not too large. However, if one replaces the 1.2 exponent with 1.25, then the result holds for all values of the rank. Similar results hold for arbitrary rectangular matrices as well. Our results are connected with the recent literature on compressed sensing, and show that objects other than signals and images can be perfectly reconstructed from very limited information.