Neural networks with random weights appear in a variety of machine learning applications, most prominently as the initialization of many deep learning algorithms and as a computationally cheap alternative to fully learned neural networks. In the present article, we enhance the theoretical understanding of random neural networks by addressing the following data separation problem: under what conditions can a random neural network make two classes $\mathcal{X}^-, \mathcal{X}^+ \subset \mathbb{R}^d$ (with positive distance) linearly separable? We show that a sufficiently large two-layer ReLU-network with standard Gaussian weights and uniformly distributed biases can solve this problem with high probability. Crucially, the number of required neurons is explicitly linked to geometric properties of the underlying sets $\mathcal{X}^-, \mathcal{X}^+$ and their mutual arrangement. This instance-specific viewpoint allows us to overcome the usual curse of dimensionality (exponential width of the layers) in non-pathological situations where the data carries low-complexity structure. We quantify the relevant structure of the data in terms of a novel notion of mutual complexity (based on a localized version of Gaussian mean width), which leads to sound and informative separation guarantees. We connect our result with related lines of work on approximation, memorization, and generalization.

在负面的感知问题中，我们给出了$ n $数据点$（{\ boldsymbol x} _i，y_i）$，其中$ {\ boldsymbol x} _i $是$ d $ -densional vector和$ y_i \ in \ { + 1，-1 \} $是二进制标签。数据不是线性可分离的，因此我们满足自己的内容，以找到最大的线性分类器，具有最大的\ emph {否定}余量。换句话说，我们想找到一个单位常规矢量$ {\ boldsymbol \ theta} $，最大化$ \ min_ {i \ le n} y_i \ langle {\ boldsymbol \ theta}，{\ boldsymbol x} _i \ rangle $ 。这是一个非凸优化问题（它相当于在Polytope中找到最大标准矢量），我们在两个随机模型下研究其典型属性。我们考虑比例渐近，其中$ n，d \ to \ idty $以$ n / d \ to \ delta $，并在最大边缘$ \ kappa _ {\ text {s}}（\ delta）上证明了上限和下限）$或 - 等效 - 在其逆函数$ \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa）$。换句话说，$ \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa）$是overparametization阈值：以$ n / d \ le \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa） - \ varepsilon $一个分类器实现了消失的训练错误，具有高概率，而以$ n / d \ ge \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa）+ \ varepsilon $。我们在$ \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa）$匹配，以$ \ kappa \ to - \ idty $匹配。然后，我们分析了线性编程算法来查找解决方案，并表征相应的阈值$ \ delta _ {\ text {lin}}（\ kappa）$。我们观察插值阈值$ \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa）$和线性编程阈值$ \ delta _ {\ text {lin {lin}}（\ kappa）$之间的差距，提出了行为的问题其他算法。

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 $）。

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。

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。

通过梯度流优化平均平衡误差，研究了功能空间中神经网络的动态。我们认为，在underParameterized制度中，网络了解由与其特征值对应的率的神经切线内核（NTK）确定的整体运算符$ t_ {k ^ \ infty} $的特征功能。例如，对于SPENTE $ S ^ {D-1} $和旋转不变的权重分配的均匀分布式数据，$ t_ {k ^ \ infty} $的特征函数是球形谐波。我们的结果可以理解为描述interparameterized制度中的光谱偏压。证据使用“阻尼偏差”的概念，其中NTK物质对具有由于阻尼因子的发生而具有大特征值的特征的偏差。除了下公共条例的制度之外，阻尼偏差可用于跟踪过度分辨率设置中经验风险的动态，允许我们在文献中延长某些结果。我们得出结论，阻尼偏差在优化平方误差时提供了动态的简单和统一的视角。

This paper investigates the stability of deep ReLU neural networks for nonparametric regression under the assumption that the noise has only a finite p-th moment. We unveil how the optimal rate of convergence depends on p, the degree of smoothness and the intrinsic dimension in a class of nonparametric regression functions with hierarchical composition structure when both the adaptive Huber loss and deep ReLU neural networks are used. This optimal rate of convergence cannot be obtained by the ordinary least squares but can be achieved by the Huber loss with a properly chosen parameter that adapts to the sample size, smoothness, and moment parameters. A concentration inequality for the adaptive Huber ReLU neural network estimators with allowable optimization errors is also derived. To establish a matching lower bound within the class of neural network estimators using the Huber loss, we employ a different strategy from the traditional route: constructing a deep ReLU network estimator that has a better empirical loss than the true function and the difference between these two functions furnishes a low bound. This step is related to the Huberization bias, yet more critically to the approximability of deep ReLU networks. As a result, we also contribute some new results on the approximation theory of deep ReLU neural networks.

神经切线内核（NTK）已成为提供记忆，优化和泛化的强大工具，可保证深度神经网络。一项工作已经研究了NTK频谱的两层和深网，其中至少具有$ \ omega（n）$神经元的层，$ n $是培训样本的数量。此外，有越来越多的证据表明，只要参数数量超过样品数量，具有亚线性层宽度的深网是强大的记忆和优化器。因此，一个自然的开放问题是NTK是否在如此充满挑战的子线性设置中适应得很好。在本文中，我们以肯定的方式回答了这个问题。我们的主要技术贡献是对最小的深网的最小NTK特征值的下限，最小可能的过度参数化：参数的数量大约为$ \ omega（n）$，因此，神经元的数量仅为$ $ $ \ omega（\ sqrt {n}）$。为了展示我们的NTK界限的适用性，我们为梯度下降训练提供了两个有关记忆能力和优化保证的结果。

本文通过引入几何深度学习（GDL）框架来构建通用馈电型型模型与可区分的流形几何形状兼容的通用馈电型模型，从而解决了对非欧国人数据进行处理的需求。我们表明，我们的GDL模型可以在受控最大直径的紧凑型组上均匀地近似任何连续目标函数。我们在近似GDL模型的深度上获得了最大直径和上限的曲率依赖性下限。相反，我们发现任何两个非分类紧凑型歧管之间始终都有连续的函数，任何“局部定义”的GDL模型都不能均匀地近似。我们的最后一个主要结果确定了数据依赖性条件，确保实施我们近似的GDL模型破坏了“维度的诅咒”。我们发现，任何“现实世界”（即有限）数据集始终满足我们的状况，相反，如果目标函数平滑，则任何数据集都满足我们的要求。作为应用，我们确认了以下GDL模型的通用近似功能：Ganea等。 （2018）的双波利馈电网络，实施Krishnan等人的体系结构。 （2015年）的深卡尔曼 - 滤波器和深度玛克斯分类器。我们构建了：Meyer等人的SPD-Matrix回归剂的通用扩展/变体。 （2011）和Fletcher（2003）的Procrustean回归剂。在欧几里得的环境中，我们的结果暗示了Kidger和Lyons（2020）的近似定理和Yarotsky和Zhevnerchuk（2019）无估计近似率的数据依赖性版本的定量版本。

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。

我们研究了神经网络中平方损耗训练问题的优化景观和稳定性，但通用非线性圆锥近似方案。据证明，如果认为非线性圆锥近似方案是（以适当定义的意义）比经典线性近似方法更具表现力，并且如果存在不完美的标签向量，则在方位损耗的训练问题必须在其中不稳定感知其解决方案集在训练数据中的标签向量上不连续地取决于标签向量。我们进一步证明对这些不稳定属性负责的效果也是马鞍点出现的原因和杂散的局部最小值，这可能是从全球解决方案的任意遥远的，并且既不训练问题也不是训练问题的不稳定性通常，杂散局部最小值的存在可以通过向目标函数添加正则化术语来克服衡量近似方案中参数大小的目标函数。无论可实现的可实现性是否满足，后一种结果都被证明是正确的。我们表明，我们的分析特别适用于具有可变宽度的自由结插值方案和深层和浅层神经网络的培训问题，其涉及各种激活功能的任意混合（例如，二进制，六骨，Tanh，arctan，软标志， ISRU，Soft-Clip，SQNL，Relu，Lifley Relu，Soft-Plus，Bent Identity，Silu，Isrlu和ELU）。总之，本文的发现说明了神经网络和一般非线性圆锥近似仪器的改进近似特性以直接和可量化的方式与必须解决的优化问题的不期望的性质链接，以便训练它们。

古典统计学习理论表示，拟合太多参数导致过度舒服和性能差。尽管大量参数矛盾，但是现代深度神经网络概括了这一发现，并构成了解释深度学习成功的主要未解决的问题。随机梯度下降（SGD）引起的隐式正规被认为是重要的，但其特定原则仍然是未知的。在这项工作中，我们研究了当地最小值周围的能量景观的局部几何学如何影响SGD的统计特性，具有高斯梯度噪声。我们争辩说，在合理的假设下，局部几何形状力强制SGD保持接近低维子空间，这会引起隐式正则化并导致深神经网络的泛化误差界定更严格的界限。为了获得神经网络的泛化误差界限，我们首先引入局部最小值周围的停滞迹象，并施加人口风险的局部基本凸性财产。在这些条件下，推导出SGD的下界，以保留在这些停滞套件中。如果发生停滞，我们会导出涉及权重矩阵的光谱规范的深神经网络的泛化误差的界限，但不是网络参数的数量。从技术上讲，我们的证据基于控制SGD中的参数值的变化以及基于局部最小值周围的合适邻域的熵迭代的参数值和局部均匀收敛。我们的工作试图通过统一收敛更好地连接非凸优化和泛化分析。

我们考虑与高斯数据的高维线性回归中的插值学习，并在类高斯宽度方面证明了任意假设类别中的内插器的泛化误差。将通用绑定到欧几里德常规球恢复了Bartlett等人的一致性结果。（2020）对于最小规范内插器，并确认周等人的预测。（2020）在高斯数据的特殊情况下，对于近乎最小常态的内插器。我们通过将其应用于单位来证明所界限的一般性，从而获得最小L1-NORM Interpoolator（基础追踪）的新型一致性结果。我们的结果表明，基于规范的泛化界限如何解释并用于分析良性过度装备，至少在某些设置中。

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。

过度分化的深网络的泛化神秘具有有动力的努力，了解梯度下降（GD）如何收敛到概括井的低损耗解决方案。现实生活中的神经网络从小随机值初始化，并以分类的“懒惰”或“懒惰”或“NTK”的训练训练，分析更成功，以及最近的结果序列（Lyu和Li ，2020年; Chizat和Bach，2020; Ji和Telgarsky，2020）提供了理论证据，即GD可以收敛到“Max-ramin”解决方案，其零损失可能呈现良好。但是，仅在某些环境中证明了余量的全球最优性，其中神经网络无限或呈指数级宽。目前的纸张能够为具有梯度流动训练的两层泄漏的Relu网，无论宽度如何，都能为具有梯度流动的双层泄漏的Relu网建立这种全局最优性。分析还为最近的经验研究结果（Kalimeris等，2019）给出了一些理论上的理由，就GD的所谓简单的偏见为线性或其他“简单”的解决方案，特别是在训练中。在悲观方面，该论文表明这种结果是脆弱的。简单的数据操作可以使梯度流量会聚到具有次优裕度的线性分类器。

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.

众所周知，给定顺滑，界限 - 下面，并且可能的非透露函数，标准梯度的方法可以找到$ \ epsilon $ -stationary积分（渐变范围小于$ \ epsilon $）$ \ mathcal {O}（1 / \ epsilon ^ 2）$迭代。然而，许多重要的非渗透优化问题，例如与培训现代神经网络相关的问题，本质上是不平衡的，使这些结果不适用。在本文中，我们研究了来自Oracle复杂性视点的非透射性优化，其中假设算法仅向各个点处的函数提供访问。我们提供两个主要结果：首先，我们考虑越近$ \ epsilon $ -storationary积分的问题。这也许是找到$ \ epsilon $ -storationary积分的最自然的放松，这在非对象案例中是不可能的。我们证明，对于任何距离和epsilon $小于某些常数，无法有效地实现这种轻松的目标。我们的第二次结果涉及通过减少到平滑的优化来解决非光度非渗透优化的可能性：即，在光滑的近似值对目标函数的平滑近似下应用平滑的优化方法。对于这种方法，我们在温和的假设下证明了oracle复杂性和平滑度之间的固有权衡：一方面，可以非常有效地平滑非光滑非凸函数（例如，通过随机平滑），但具有尺寸依赖性因子在平滑度参数中，在插入标准平滑优化方法时，这会强烈影响迭代复杂性。另一方面，可以用合适的平滑方法消除这些尺寸因子，而是仅通过使平滑过程的Oracle复杂性呈指数大。

我们引入了一个深度学习模型，该模型通常可以近似于常规条件分布（RCD）。所提出的模型分为三个阶段：首先从给定的度量空间$ \ mathcal {x} $到$ \ mathbb {r}^d $通过功能映射进行线性化输入，然后这些线性化的功能由深层馈电的神经网络处理，然后通过Bahdanau等人引入的注意机制的概率扩展，将网络的输出转换为$ 1 $ -WASSERSTEIN SPACE $ \ MATHCAL {P} _1（\ Mathbb {r}^d）$。 （2014）。我们发现，使用我们的框架构建的模型可以从$ \ mathbb {r}^d $到$ \ mathcal {p} _1（\ mathbb {r}^d）$均匀地在紧凑的集合上近似任何连续功能。当近似$ \ mathcal {p} _1（\ mathbb {r}^d）$ - 有价值的函数时，我们确定了两种避免维数的诅咒的方法。第一个策略描述了$ c（\ mathbb {r}^d，\ mathcal {p} _1（\ mathbb {r}^d））$中的函数，可以在$ \ mathbb {r}的任何紧凑子集上有效地近似地近似^D $。第二种方法描述了$ \ mathbb {r}^d $的紧凑子集，其中最多的$ c（\ mathbb {r}^d，\ mathcal {p} _1 _1（\ mathbb {r}^d））$可以有效地近似。结果经过实验验证。

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。

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。