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.

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。

随机梯度算法在大规模学习和推理问题中广泛用于优化和采样。但是，实际上，调整这些算法通常是使用启发式和反复试验而不是严格的，可概括的理论来完成的。为了解决理论和实践之间的这一差距，我们通过表征具有固定步长的非常通用的预处理随机梯度算法的迭代术的大样本行为来对调整参数的效果进行新的见解。在优化设置中，我们的结果表明，具有较大固定步长的迭代平均值可能会导致（局部）M-静态器的统计效率近似。在抽样环境中，我们的结果表明，通过适当的调整参数选择，限制固定协方差可以与Bernstein匹配 - 后验的von Mises限制，对模型错误指定后验的调整或MLE的渐近分布；而幼稚的调整极限与这些都不相对应。此外，我们认为可以在数据集对固定数量的通行证后获得基本独立的样本。我们使用模拟和真实数据通过多个实验来验证渐近样结果。总体而言，我们证明具有恒定步长的正确调整的随机梯度算法为获得点估计或后部样品提供了计算上有效且统计上健壮的方法。

我们研究了与深神经网络分析有关的随机矩阵产物的奇异值的分布。然而，矩阵类似于样品协方差矩阵的乘积，一个重要的区别是，假定的种群协方差矩阵是非随机或随机的，但独立于统计和随机矩阵理论中的随机数据矩阵，现在是随机数据的某些功能矩阵（深神经网络术语中的突触重量矩阵）。该问题在最近的工作[25，13]中已通过使用自由概率理论的技术。但是，自由概率理论涉及独立于数据矩阵的人口协方差矩阵，因此必须证明其适用性。使用随机矩阵理论的技术版本，对于具有独立条目的高斯数据矩阵，具有独立条目的高斯数据矩阵（一种自由概率的标准分析模型）的理由。在本文中，我们使用另一种更简化的随机矩阵理论技术的版本将[22]的结果推广到突触重量矩阵的条目仅是独立分布的随机变量，均值和有限第四，片刻。特别是，这扩展了所谓的宏观普遍性在被考虑的随机矩阵上的特性。

我们提出了一种基于langevin扩散的算法，以在球体的产物歧管上进行非凸优化和采样。在对数Sobolev不平等的情况下，我们根据Kullback-Leibler Divergence建立了有限的迭代迭代收敛到Gibbs分布的保证。我们表明，有了适当的温度选择，可以保证，次级最小值的次数差距很小，概率很高。作为一种应用，我们考虑了使用对角线约束解决半决赛程序（SDP）的burer- monteiro方法，并分析提出的langevin算法以优化非凸目标。特别是，我们为Burer建立了对数Sobolev的不平等现象 - 当没有虚假的局部最小值时，但在鞍点下，蒙蒂罗问题。结合结果，我们为SDP和最大切割问题提供了全局最佳保证。更确切地说，我们证明了Langevin算法在$ \ widetilde {\ omega}（\ epsilon^{ - 5}）$ tererations $ tererations $ \ widetilde {\ omega}（\ omega}中，具有很高的概率。

We consider stochastic gradient descents on the space of large symmetric matrices of suitable functions that are invariant under permuting the rows and columns using the same permutation. We establish deterministic limits of these random curves as the dimensions of the matrices go to infinity while the entries remain bounded. Under a "small noise" assumption the limit is shown to be the gradient flow of functions on graphons whose existence was established in arXiv:2111.09459. We also consider limits of stochastic gradient descents with added properly scaled reflected Brownian noise. The limiting curve of graphons is characterized by a family of stochastic differential equations with reflections and can be thought of as an extension of the classical McKean-Vlasov limit for interacting diffusions. The proofs introduce a family of infinite-dimensional exchangeable arrays of reflected diffusions and a novel notion of propagation of chaos for large matrices of interacting diffusions.

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。

我们调查了一定类别的功能不等式，称为弱Poincar的不等式，以使Markov链的收敛性与均衡相结合。我们表明，这使得SubGoom测量收敛界的直接和透明的推导出用于独立的Metropolis - Hastings采样器和用于棘手似然性的伪边缘方法，后者在许多实际设置中是子表芯。这些结果依赖于马尔可夫链之间的新量化比较定理。相关证据比依赖于漂移/较小化条件的证据更简单，并且所开发的工具允许我们恢复并进一步延长特定情况的已知结果。我们能够为伪边缘算法的实际使用提供新的见解，分析平均近似贝叶斯计算（ABC）的效果以及独立平均值的产品，以及研究与之相关的逻辑重量的情况粒子边缘大都市 - 黑斯廷斯（PMMH）。

We provide results that exactly quantify how data augmentation affects the convergence rate and variance of estimates. They lead to some unexpected findings: Contrary to common intuition, data augmentation may increase rather than decrease the uncertainty of estimates, such as the empirical prediction risk. Our main theoretical tool is a limit theorem for functions of randomly transformed, high-dimensional random vectors. The proof draws on work in probability on noise stability of functions of many variables. The pathological behavior we identify is not a consequence of complex models, but can occur even in the simplest settings -- one of our examples is a ridge regressor with two parameters. On the other hand, our results also show that data augmentation can have real, quantifiable benefits.

本文涉及由马尔可夫噪声驱动的随机近似的收敛和渐近统计：$$ \ theta_ {n + 1} = \ theta_n + \ alpha_ {n + 1} f（\ theta_n，\ phi_ {n + 1}）\， ，\ quad n \ ge 0，$$，其中每个$ \ theta_n \ in \ re ^ d $，$ \ {\ phi_n \} $是一般状态空间x上的马尔可夫链，静止分配$ \ pi $和$ f：\ re ^ d \ times \ text {x} \ to \ re ^ d $。除了在$ f $的标准lipschitz边界，以及消失的步骤大小序列$ \ {\ alpha_n \ \} $的条件外，假设相关ode是全局渐近稳定的静止点表示$ \ theta ^ * $ ，其中$ \ bar f（\ theta）= e [f（\ theta，\ phi）] $ with $ \ phi \ sim \ pi $。而且，ode @ $ \ infty $ virect with advoore字段，$$ \ bar f_ \ idty（\ theta）：= \ lim_ {r \ to \ infty} r ^ { - 1} \ bar f（r \ theta）\ ,, \ qquad \ theta \ in \ re ^ d，$$是渐近稳定的。主要贡献总结如下：（i）如果$ \ phi $是几何ergodic，则序列$ \ theta $是融合的，并且在$ f $兼容兼容的界限。剩余的结果是在马尔可夫链的更强大假设下建立：Donsker-varadhan Lyapunov漂移条件的稍微弱版本（DV3）。 （ii）为联合过程$ \ {\ theta_n，\ phi_n \} $构建Lyapunov函数，这意味着$ \ {\ theta_n \} $ in $ l_4 $的融合。 （iii）建立了功能性CLT，以及归一化误差$ z_n：=（\ theta_n- \ theta ^ *）/ \ sqrt {\ alpha_n} $的常规一维CLT。时刻界限结合了CLT暗示了归一化协方差的收敛，$$ \ lim_ {n \ to \ infty} e [z_n z_n ^ t] = \ sigma_ \ theta，$$在$ \ sigma_ \ theta $ where asbptotic协方差出现在CLT中。 （iv）提供了一个例子，其中马尔可夫链$ \ phi $是几何ergodic，但它不满足（dv3）。虽然算法收敛，但第二个时刻是无限的。

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。

Quantifying the deviation of a probability distribution is challenging when the target distribution is defined by a density with an intractable normalizing constant. The kernel Stein discrepancy (KSD) was proposed to address this problem and has been applied to various tasks including diagnosing approximate MCMC samplers and goodness-of-fit testing for unnormalized statistical models. This article investigates a convergence control property of the diffusion kernel Stein discrepancy (DKSD), an instance of the KSD proposed by Barp et al. (2019). We extend the result of Gorham and Mackey (2017), which showed that the KSD controls the bounded-Lipschitz metric, to functions of polynomial growth. Specifically, we prove that the DKSD controls the integral probability metric defined by a class of pseudo-Lipschitz functions, a polynomial generalization of Lipschitz functions. We also provide practical sufficient conditions on the reproducing kernel for the stated property to hold. In particular, we show that the DKSD detects non-convergence in moments with an appropriate kernel.

本论文主要涉及解决深层（时间）高斯过程（DGP）回归问题的状态空间方法。更具体地，我们代表DGP作为分层组合的随机微分方程（SDES），并且我们通过使用状态空间过滤和平滑方法来解决DGP回归问题。由此产生的状态空间DGP（SS-DGP）模型生成丰富的电视等级，与建模许多不规则信号/功能兼容。此外，由于他们的马尔可道结构，通过使用贝叶斯滤波和平滑方法可以有效地解决SS-DGPS回归问题。本论文的第二次贡献是我们通过使用泰勒力矩膨胀（TME）方法来解决连续离散高斯滤波和平滑问题。这诱导了一类滤波器和SmooThers，其可以渐近地精确地预测随机微分方程（SDES）解决方案的平均值和协方差。此外，TME方法和TME过滤器和SmoOthers兼容模拟SS-DGP并解决其回归问题。最后，本文具有多种状态 - 空间（深）GPS的应用。这些应用主要包括（i）来自部分观察到的轨迹的SDES的未知漂移功能和信号的光谱 - 时间特征估计。

由于其宽度趋于无穷大，如果梯度下降下的深度神经网络的行为可以简化和可预测（例如，如果神经切线核（NTK）给出，则如果适当地进行了参数化（例如，NTK参数化）。但是，我们表明，神经网络的标准和NTK参数化不接受可以学习特征的无限宽度限制，这对于训练和转移学习至关重要。我们对标准参数化提出了简单的修改，以允许在极限内进行特征学习。使用 * Tensor程序 *技术，我们为此类限制提供了明确的公式。在Word2Vec和Omniglot上通过MAML进行的几杆学习，这是两个依赖特征学习的规范任务，我们准确地计算了这些限制。我们发现它们的表现都优于NTK基准和有限宽度网络，后者接近无限宽度的特征学习表现，随着宽度的增加。更普遍地，我们对神经网络参数化的自然空间进行分类，该空间概括了标准，NTK和平均场参数化。我们显示1）该空间中的任何参数化都可以接受特征学习或具有内核梯度下降给出的无限宽度训练动力学，但并非两者兼而有之； 2）可以使用Tensor程序技术计算任何此类无限宽度限制。可以在github.com/edwardjhu/tp4上找到我们的实验代码。

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

显示了最佳的收敛速率，显示了对保守随机偏微分方程的平均场限制对解决方案解决方案解决方案解决方案的收敛。作为第二个主要结果，该SPDE的定量中心极限定理再次得出，并以最佳的收敛速率得出。该结果尤其适用于在过叠层化的，浅的神经网络中与SPDES溶液中随机梯度下降动力学的平均场缩放率的收敛性。结果表明，在限制SPDE中包含波动可以提高收敛速度，并保留有关随机梯度下降的波动的信息。

The study of feature propagation at initialization in neural networks lies at the root of numerous initialization designs. An assumption very commonly made in the field states that the pre-activations are Gaussian. Although this convenient Gaussian hypothesis can be justified when the number of neurons per layer tends to infinity, it is challenged by both theoretical and experimental works for finite-width neural networks. Our major contribution is to construct a family of pairs of activation functions and initialization distributions that ensure that the pre-activations remain Gaussian throughout the network's depth, even in narrow neural networks. In the process, we discover a set of constraints that a neural network should fulfill to ensure Gaussian pre-activations. Additionally, we provide a critical review of the claims of the Edge of Chaos line of works and build an exact Edge of Chaos analysis. We also propose a unified view on pre-activations propagation, encompassing the framework of several well-known initialization procedures. Finally, our work provides a principled framework for answering the much-debated question: is it desirable to initialize the training of a neural network whose pre-activations are ensured to be Gaussian?

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 $）。

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.

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。