随机梯度下降（SGD）是深度学习技术的工作主控算法。在训练阶段的每个步骤中，从训练数据集中抽取迷你样本，并且根据该特定示例子集的性能调整神经网络的权重。迷你批量采样过程将随机性动力学引入梯度下降，具有非琐碎的状态依赖性噪声。我们在原型神经网络模型中表征了SGD的随机和最近引入的变体持久性SGD。在占地面定的制度中，在最终训练误差是阳性的情况下，SGD动力学达到静止状态，我们从波动耗散定理定义了从动态平均场理论计算的波动定理的有效温度。我们使用有效温度来量化SGD噪声的幅度作为问题参数的函数。在过度参数化的制度中，在训练错误消失的情况下，我们通过计算系统的两个副本之间的平均距离来测量SGD的噪声幅度，并具有相同的初始化和两个不同的SGD噪声的实现。我们发现这两个噪声测量与问题参数的函数类似。此外，我们观察到嘈杂的算法导致相应的约束满足问题的更广泛的决策边界。

我们以封闭的形式分析了随机梯度下降（SGD）的学习动态，用于分类每个群集的高位高斯混合的单层神经网络，其中每个群集分配两个标签中的一个。该问题提供了具有内插制度的非凸损景观的原型和大的概括间隙。我们定义了一个特定的随机过程，其中SGD可以扩展到我们称呼随机梯度流的连续时间限制。在全批处理中，我们恢复标准梯度流。我们将动态平均场理论从统计物理应用于通过自成的随机过程跟踪高维极限中算法的动态。我们探讨了算法的性能，作为控制参数脱落灯的函数，它如何导航损耗横向。

深度学习的概括分析通常假定训练会收敛到固定点。但是，最近的结果表明，实际上，用随机梯度下降优化的深神经网络的权重通常无限期振荡。为了减少理论和实践之间的这种差异，本文着重于神经网络的概括，其训练动力不一定会融合到固定点。我们的主要贡献是提出一个统计算法稳定性（SAS）的概念，该算法将经典算法稳定性扩展到非convergergent算法并研究其与泛化的联系。与传统的优化和学习理论观点相比，这种崇高的理论方法可导致新的见解。我们证明，学习算法的时间复杂行为的稳定性与其泛化有关，并在经验上证明了损失动力学如何为概括性能提供线索。我们的发现提供了证据表明，即使训练无限期继续并且权重也不会融合，即使训练持续进行训练，训练更好地概括”的网络也是如此。

当前的深度神经网络被高度参数化（多达数十亿个连接权重）和非线性。然而，它们几乎可以通过梯度下降算法的变体完美地拟合数据，并达到预测准确性的意外水平，而不会过度拟合。这些是巨大的结果，无视统计学习的预测，并对非凸优化构成概念性挑战。在本文中，我们使用来自无序系统的统计物理学的方法来分析非凸二进制二进制神经网络模型中过度参数化的计算后果，该模型对从结构上更简单但“隐藏”网络产生的数据进行了培训。随着连接权重的增加，我们遵循误差损失函数不同最小值的几何结构的变化，并将其与学习和概括性能相关联。当解决方案开始存在时，第一次过渡发生在所谓的插值点（完美拟合变得可能）。这种过渡反映了典型溶液的特性，但是它是尖锐的最小值，难以采样。差距后，发生了第二个过渡，并具有不同类型的“非典型”结构的不连续外观：重量空间的宽区域，这些区域特别是解决方案密度且具有良好的泛化特性。两种解决方案共存，典型的解决方案的呈指数数量，但是从经验上讲，我们发现有效的算法采样了非典型，稀有的算法。这表明非典型相变是学习的相关阶段。与该理论建议的可观察到的现实网络的数值测试结果与这种情况一致。

计算科学和统计推断中的许多应用都需要计算有关具有未知归一化常数的复杂高维分布以及这些常数的估计。在这里，我们开发了一种基于从简单的基本分布生成样品，沿着速度场生成的流量运输的方法，并沿这些流程线执行平均值。这种非平衡重要性采样（NEIS）策略是直接实施的，可用于具有任意目标分布的计算。在理论方面，我们讨论了如何将速度场定制到目标，并建立所提出的估计器是一个完美的估计器，具有零变化。我们还通过将基本分布映射到目标上，通过传输图绘制了NEIS和方法之间的连接。在计算方面，我们展示了如何使用深度学习来代表神经网络，并将其训练为零方差最佳。这些结果在高维示例上进行了数值说明，我们表明训练速度场可以将NEIS估计量的方差降低至6个数量级，而不是Vanilla估计量。我们还表明，NEIS在这些示例上的表现要比NEAL的退火重要性采样（AIS）更好。

在神经网络的经验风险景观中扁平最小值的性质已经讨论了一段时间。越来越多的证据表明他们对尖锐物质具有更好的泛化能力。首先，我们讨论高斯混合分类模型，并分析显示存在贝叶斯最佳点估算器，其对应于属于宽平区域的最小值。可以通过直接在分类器（通常是独立的）或学习中使用的可分解损耗函数上应用最大平坦度算法来找到这些估计器。接下来，我们通过广泛的数值验证将分析扩展到深度学习场景。使用两种算法，熵-SGD和复制-SGD，明确地包括在优化目标中，所谓的非局部平整度措施称为本地熵，我们一直提高常见架构的泛化误差（例如Resnet，CeffectnNet）。易于计算的平坦度测量显示与测试精度明确的相关性。

我们考虑受限制的Boltzmann机器（RBMS）在非结构化的数据集上培训，由虚构的数据集进行，该数据集由明确的模糊但不可用的“原型”，我们表明，RBM可以学习原型的临界样本大小，即机器可以成功播放作为一种生成模型或作为分类器，根据操作程序。通常，评估关键的样本大小（可能与数据集的质量相关）仍然是机器学习中的一个开放问题。在这里，限制随机理论，其中浅网络就足够了，大母细胞场景是正确的，我们利用RBM和Hopfield网络之间的正式等价，以获得突出区域中突出区域的神经架构的相图控制参数（即，原型的数量，训练集的训练集的神经元数量，大小和质量的数量），其中可以实现学习。我们的调查是通过基于无序系统的统计学机械的分析方法领导的，结果通过广泛的蒙特卡罗模拟进一步证实。

我们分析了通过梯度流通过自洽动力场理论训练的无限宽度神经网络中的特征学习。我们构建了确定性动力学阶参数的集合，该参数是内部产物内核，用于在成对的时间点中，每一层中隐藏的单位激活和梯度，从而减少了通过训练对网络活动的描述。这些内核顺序参数共同定义了隐藏层激活分布，神经切线核的演变以及因此输出预测。我们表明，现场理论推导恢复了从Yang和Hu（2021）获得张量程序的无限宽度特征学习网络的递归随机过程。对于深线性网络，这些内核满足一组代数矩阵方程。对于非线性网络，我们提供了一个交替的采样过程，以求助于内核顺序参数。我们提供了与各种近似方案的自洽解决方案的比较描述。最后，我们提供了更现实的设置中的实验，这些实验表明，在CIFAR分类任务上，在不同宽度上保留了CNN的CNN的损耗和内核动力学。

在这项工作中，我们探讨了随机梯度下降（SGD）训练的深神经网络的限制动态。如前所述，长时间的性能融合，网络继续通过参数空间通过一个异常扩散的过程，其中距离在具有非活动指数的梯度更新的数量中增加距离。我们揭示了优化的超公数，梯度噪声结构之间的复杂相互作用，以及在训练结束时解释这种异常扩散的Hessian矩阵。为了构建这种理解，我们首先为SGD推导出一个连续时间模型，具有有限的学习速率和批量尺寸，作为欠下的Langevin方程。我们在线性回归中研究了这个方程，我们可以为参数的相位空间动态和它们的瞬时速度来得出精确的分析表达式，从初始化到实用性。使用Fokker-Planck方程，我们表明驾驶这些动态的关键成分不是原始的训练损失，而是修改的损失的组合，其隐含地规则地规范速度和概率电流，这导致相位空间中的振荡。我们在ImageNet培训的Reset-18模型的动态中确定了这种理论的定性和定量预测。通过统计物理的镜头，我们揭示了SGD培训的深神经网络的异常限制动态的机制来源。

机器学习模型的概括对数据，模型和学习算法具有复杂的依赖性。我们研究训练和测试性能，以及它们在不同数据集样本上的差异给出的概括差距，以理解其``典型''行为。我们得出了差距的表达式，作为模型之间协方差的函数参数分布和列车损耗以及平均测试性能的另一种表达，显示了测试概括仅取决于数据平均参数分布和数据平均损失。我们显示，对于大型模型参数分布，修改的概括差距为始终是非负的。通过进一步专门针对由随机梯度下降（SGD）产生的参数分布，以及一些近似值和建模考虑，我们能够预测有关通用差距和模型训练和测试性能如何变化为一个方面的一些方面SGD噪声的功能。我们基于RESNET体系结构对CIFAR10分类任务进行经验评估这些预测。

经常性神经网络（RNNS）是强大的动态模型，广泛用于机器学习（ML）和神经科学。之前的理论作品集中在具有添加剂相互作用的RNN上。然而，门控 - 即乘法 - 相互作用在真神经元中普遍存在，并且也是ML中最佳性能RNN的中心特征。在这里，我们表明Gating提供灵活地控制集体动态的两个突出特征：i）时间尺寸和ii）维度。栅极控制时间尺度导致新颖的稳定状态，网络用作灵活积分器。与以前的方法不同，Gating允许这种重要功能而没有参数微调或特殊对称。门还提供一种灵活的上下文相关机制来重置存储器跟踪，从而补充存储器功能。调制维度的栅极可以诱导新颖的不连续的混沌转变，其中输入将稳定的系统推向强的混沌活动，与通常稳定的输入效果相比。在这种转变之上，与添加剂RNN不同，关键点（拓扑复杂性）的增殖与混沌动力学的外观解耦（动态复杂性）。丰富的动态总结在相图中，从而为ML从业者提供了一个原理参数初始化选择的地图。

在神经网络的文献中，Hebbian学习传统上是指Hopfield模型及其概括存储原型的程序（即仅经历过一次形成突触矩阵的确定模式）。但是，机器学习中的“学习”一词是指机器从提供的数据集中提取功能的能力（例如，由这些原型的模糊示例制成），以制作自己的不可用原型的代表。在这里，给定一个示例示例，我们定义了一个有监督的学习协议，通过该协议可以通过该协议来推断原型，并检测到正确的控制参数（包括数据集的大小和质量）以描绘系统性能的相图。我们还证明，对于无结构数据集，配备了该监督学习规则的Hopfield模型等同于受限的Boltzmann机器，这表明了最佳且可解释的培训例程。最后，这种方法被推广到结构化的数据集：我们在分析的数据集中突出显示了一个准剥离组织（让人联想到复制对称性 - 对称性），因此，我们为其（部分）分开，为其（部分）删除层引入了一个附加的“复制性隐藏层”，该证明可以将MNIST分类从75％提高到95％，并提供有关深度体系结构的新观点。

我们在强烈混合（混乱）方面基于能源持续的哈密顿动力学进行了优化的新框架，并在分析和数值上建立其关键特性。该原型是对出生式动力学的离散化，取决于目标函数，其平方相对速度限制。这类无摩擦，节能优化器毫不动摇地进行，直到自然放慢速度在最小的损失附近，这主要是系统的相位空间体积。我们从对动力台球等混乱系统的研究构建，我们制定了一种特定的算法，在机器学习和解决PDE解决任务（包括概括）方面具有良好的性能。它不能以高的局部最低限度停止，这是非凸损失功能的优势，并且比浅谷中的GD+动量更快。

在神经元网络中，使用本地信息单独更新，允许完全分散的学习。相反，人工神经网络（ANN）中的元件通常使用中央处理器同时更新。在这里，我们调查最近引入的分散，物理驱动的学习网络中异步学习的可行性和影响。我们表明，在理想化模拟中，Desynchization Learing Processe不会降低各种任务的性能。在实验中，Des同步实际上通过允许系统更好地探索解决方案的离散状态空间来实现性能。我们在随机梯度下降中的异步和迷你批处理之间绘制了类比，并表明它们对学习过程具有类似的影响。 des同步学习过程将物理驱动的学习网络建立为真正完全分布式的学习机器，在部署中提高更好的性能和可扩展性。

长期存在的辩论围绕着相关的假设，即低曲率的最小值更好地推广，而SGD则不鼓励曲率。我们提供更完整和细微的观点，以支持两者。首先，我们表明曲率通过两种新机制损害了测试性能，除了已知的参数搭配机制外，弯曲和偏置曲线除了偏置和偏置。尽管曲率不是，但对测试性能的三个曲率介导的贡献是重复的，尽管曲率不是。移位横向的变化是连接列车和测试局部最小值的线路，由于数据集采样或分布位移而差异。尽管在训练时间的转移尚不清楚，但仍可以通过最大程度地减少总体曲率来减轻横向横向。其次，我们得出了一种新的，明确的SGD稳态分布，表明SGD优化了与火车损失相关的有效潜力，并且SGD噪声介导了这种有效潜力的深层与低外生区域之间的权衡。第三，将我们的测试性能分析与SGD稳态相结合，表明，对于小的SGD噪声，移位膜可能是三种机制中最重要的。我们的实验证实了狂热对测试损失的影响，并进一步探索了SGD噪声与曲率之间的关系。

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。

神经网络损失景观的二次近似已被广泛用于研究这些网络的优化过程。但是，它通常位于最低限度的一个很小的社区，但无法解释在优化过程中观察到的许多现象。在这项工作中，我们研究了神经网络损失函数的结构及其对超出良好二次近似范围的区域中优化的影响。从数值上讲，我们观察到神经网络损失功能具有多尺度结构，以两种方式表现出来：（1）在Minima的社区中，损失将量表的连续体和次级次序增长，（2）在较大的区域，损失，损失，损失，清楚地显示了几个单独的秤。使用次级生长，我们能够解释梯度下降（GD）方法观察到的稳定现象的边缘[5]。使用单独的量表，我们通过简单示例解释学习率衰减的工作机理。最后，我们研究了多尺度结构的起源，并提出模型的非跨性别性和训练数据的不均匀性是原因之一。通过构建两层神经网络问题，我们表明，具有不同幅度的训练数据会产生损失函数的不同尺度，从而产生次级生长和多个单独的尺度。

尽管过度参数过多，但人们认为，通过随机梯度下降（SGD）训练的深度神经网络令人惊讶地概括了。基于预先指定的假设集的Rademacher复杂性，已经开发出不同的基于规范的泛化界限来解释这种现象。但是，最近的研究表明，这些界限可能会随着训练集的规模而增加，这与经验证据相反。在这项研究中，我们认为假设集SGD探索是轨迹依赖性的，因此可能在其Rademacher复杂性上提供更严格的结合。为此，我们通过假设发生的随机梯度噪声遵循分数的布朗运动，通过随机微分方程来表征SGD递归。然后，我们根据覆盖数字识别Rademacher的复杂性，并将其与优化轨迹的Hausdorff维度相关联。通过调用假设集稳定性，我们得出了针对深神经网络的新型概括。广泛的实验表明，它可以很好地预测几种常见的实验干预措施的概括差距。我们进一步表明，分数布朗运动的HURST参数比现有的概括指标（例如幂律指数和上blumenthal-getoor索引）更具信息性。

In this thesis, we consider two simple but typical control problems and apply deep reinforcement learning to them, i.e., to cool and control a particle which is subject to continuous position measurement in a one-dimensional quadratic potential or in a quartic potential. We compare the performance of reinforcement learning control and conventional control strategies on the two problems, and show that the reinforcement learning achieves a performance comparable to the optimal control for the quadratic case, and outperforms conventional control strategies for the quartic case for which the optimal control strategy is unknown. To our knowledge, this is the first time deep reinforcement learning is applied to quantum control problems in continuous real space. Our research demonstrates that deep reinforcement learning can be used to control a stochastic quantum system in real space effectively as a measurement-feedback closed-loop controller, and our research also shows the ability of AI to discover new control strategies and properties of the quantum systems that are not well understood, and we can gain insights into these problems by learning from the AI, which opens up a new regime for scientific research.

我们研究随机梯度下降（SGD）动态轨迹的统计特性。我们将Mini-Batch SGD和动量SGD视为随机微分方程（SDES）。我们利用了SDE的连续制定和Fokker-Planck方程的理论，在逃避现象和大批次和尖锐最小值的关系中开发新结果。特别是，我们发现随机过程解决方案倾向于会聚到渐渐的最小值，而无论渐近状态中的批量大小如何。但是，收敛速度严格被证明依赖于批量尺寸。这些结果经验验证了各种数据集和模型。