深度学习归一化技术的基本特性，例如批准归一化，正在使范围前的参数量表不变。此类参数的固有域是单位球，因此可以通过球形优化的梯度优化动力学以不同的有效学习率（ELR）来表示，这是先前研究的。在这项工作中，我们使用固定的ELR直接研究了训练量表不变的神经网络的特性。我们根据ELR值发现了这种训练的三个方案：收敛，混乱平衡和差异。我们详细研究了这些制度示例的理论检查，以及对真实规模不变深度学习模型的彻底经验分析。每个制度都有独特的特征，并反映了内在损失格局的特定特性，其中一些与先前对常规和规模不变的神经网络培训的研究相似。最后，我们证明了如何在归一化网络的常规培训以及如何利用它们以实现更好的Optima中反映发现的制度。
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培训具有批量标准化和重量衰减的神经网络已成为近年来的常见做法。在这项工作中，我们表明它们的结合使用可能导致优化动态的令人惊讶的周期性行为：培训过程定期表现出稳定，然而，不会导致完全发散但导致新的培训期。我们严格研究了从经验和理论观点的发现的定期行为基础的机制，并分析了实践中发生的条件。我们还证明，周期性行为可以被视为在批量归一化和体重衰减的训练中进行两种先前反对的视角的概括，即平衡推定和不稳定的推定。
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我们研究了使用尖刺，现场依赖的随机矩阵理论研究迷你批次对深神经网络损失景观的影响。我们表明，批量黑森州的极值值的大小大于经验丰富的黑森州。我们还获得了类似的结果对Hessian的概括高斯牛顿矩阵近似。由于我们的定理，我们推导出作为批量大小的最大学习速率的分析表达式，为随机梯度下降（线性缩放）和自适应算法（例如ADAM（Square Root Scaling）提供了通知实际培训方案，例如光滑，非凸深神经网络。虽然随机梯度下降的线性缩放是在我们概括的更多限制性条件下导出的，但是适应优化者的平方根缩放规则是我们的知识，完全小说。随机二阶方法和自适应方法的百分比，我们得出了最小阻尼系数与学习率与批量尺寸的比率成比例。我们在Cifar-$ 100 $和ImageNet数据集上验证了我们的VGG / WimerEsnet架构上的索赔。根据我们对象检的调查，我们基于飞行学习率和动量学习者开发了一个随机兰齐齐竞争，这避免了对这些关键的超参数进行昂贵的多重评估的需求，并在预残留的情况下显示出良好的初步结果Cifar的architecure - $ 100 $。
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引入了归一化层（例如，批处理归一化，层归一化），以帮助在非常深的网中获得优化困难，但它们显然也有助于概括，即使在不太深入的网中也是如此。由于长期以来的信念，即最小的最小值导致更好的概括，本文提供了数学分析和支持实验，这表明归一化（与伴随的重量赛一起）鼓励GD降低损失表面的清晰度。鉴于损失是标准不变的，这是标准化的已知结果，因此仔细地定义了“清晰度”。具体而言，对于具有归一化的相当广泛的神经网类，我们的理论解释了有限学习率的GD如何进入所谓的稳定边缘（EOS）制度，并通过连续的清晰度来表征GD的轨迹 - 还原流。
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Neural network training relies on our ability to find "good" minimizers of highly non-convex loss functions. It is well-known that certain network architecture designs (e.g., skip connections) produce loss functions that train easier, and wellchosen training parameters (batch size, learning rate, optimizer) produce minimizers that generalize better. However, the reasons for these differences, and their effects on the underlying loss landscape, are not well understood. In this paper, we explore the structure of neural loss functions, and the effect of loss landscapes on generalization, using a range of visualization methods. First, we introduce a simple "filter normalization" method that helps us visualize loss function curvature and make meaningful side-by-side comparisons between loss functions. Then, using a variety of visualizations, we explore how network architecture affects the loss landscape, and how training parameters affect the shape of minimizers.
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清晰度感知最小化（SAM）是一种最近的训练方法，它依赖于最严重的重量扰动，可显着改善各种环境中的概括。我们认为，基于pac-bayes概括结合的SAM成功的现有理由，而收敛到平面最小值的想法是不完整的。此外，没有解释说在SAM中使用$ m $ sharpness的成功，这对于概括而言至关重要。为了更好地理解SAM的这一方面，我们理论上分析了其对角线性网络的隐式偏差。我们证明，SAM总是选择一种比标准梯度下降更好的解决方案，用于某些类别的问题，并且通过使用$ m $ -sharpness可以放大这种效果。我们进一步研究了隐性偏见在非线性网络上的特性，在经验上，我们表明使用SAM进行微调的标准模型可以导致显着的概括改进。最后，当与随机梯度一起使用时，我们为非凸目标提供了SAM的收敛结果。我们从经验上说明了深层网络的这些结果，并讨论了它们与SAM的概括行为的关系。我们的实验代码可在https://github.com/tml-epfl/understanding-sam上获得。
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Power等人报道的\ emph {grokking现象} {power2021grokking}是指一个长期过度拟合之后，似乎突然过渡到完美的概括。在本文中，我们试图通过一系列经验研究来揭示Grokking的基础。具体而言，我们在极端的训练阶段（称为\ emph {slingshot机构）发现了一个优化的异常缺陷自适应优化器。可以通过稳定和不稳定的训练方案之间的循环过渡来测量弹弓机制的突出伪像，并且可以通过最后一层重量的规范的循环行为轻松监测。我们从经验上观察到，在\ cite {power2021grokking}中报道的无明确正规化，几乎完全发生在\ emph {slingshots}的开始时，并且没有它。虽然在更一般的环境中常见且容易复制，但弹弓机制并不遵循我们所知道的任何已知优化理论，并且可以轻松地忽略而无需深入研究。我们的工作表明，在培训的后期阶段，适应性梯度优化器的令人惊讶且有用的归纳偏见，要求对其起源进行修订。
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在他们的损失景观方面观看神经网络模型在学习的统计力学方法方面具有悠久的历史，并且近年来它在机器学习中得到了关注。除此之外，已显示局部度量（例如损失景观的平滑度）与模型的全局性质（例如良好的泛化性能）相关联。在这里，我们对数千个神经网络模型的损失景观结构进行了详细的实证分析，系统地改变了学习任务，模型架构和/或数据数量/质量。通过考虑试图捕获损失景观的不同方面的一系列指标，我们证明了最佳的测试精度是如下：损失景观在全球连接;训练型模型的集合彼此更像;而模型会聚到局部平滑的地区。我们还表明，当模型很小或培训以较低质量数据时，可以出现全球相连的景观景观;而且，如果损失景观全球相连，则培训零损失实际上可以导致更糟糕的测试精度。我们详细的经验结果阐明了学习阶段的阶段（以及后续双重行为），基本与偶然的决定因素良好的概括决定因素，负载样和温度相同的参数在学习过程中，不同的影响对模型的损失景观的影响不同和数据，以及地方和全球度量之间的关系，近期兴趣的所有主题。
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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。
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Deep neural networks are typically trained by optimizing a loss function with an SGD variant, in conjunction with a decaying learning rate, until convergence. We show that simple averaging of multiple points along the trajectory of SGD, with a cyclical or constant learning rate, leads to better generalization than conventional training. We also show that this Stochastic Weight Averaging (SWA) procedure finds much flatter solutions than SGD, and approximates the recent Fast Geometric Ensembling (FGE) approach with a single model. Using SWA we achieve notable improvement in test accuracy over conventional SGD training on a range of state-of-the-art residual networks, PyramidNets, DenseNets, and Shake-Shake networks on CIFAR-10, CIFAR-100, and ImageNet. In short, SWA is extremely easy to implement, improves generalization, and has almost no computational overhead.
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The vast majority of successful deep neural networks are trained using variants of stochastic gradient descent (SGD) algorithms. Recent attempts to improve SGD can be broadly categorized into two approaches: (1) adaptive learning rate schemes, such as AdaGrad and Adam, and (2) accelerated schemes, such as heavy-ball and Nesterov momentum. In this paper, we propose a new optimization algorithm, Lookahead, that is orthogonal to these previous approaches and iteratively updates two sets of weights. Intuitively, the algorithm chooses a search direction by looking ahead at the sequence of "fast weights" generated by another optimizer. We show that Lookahead improves the learning stability and lowers the variance of its inner optimizer with negligible computation and memory cost. We empirically demonstrate Lookahead can significantly improve the performance of SGD and Adam, even with their default hyperparameter settings on ImageNet, CIFAR-10/100, neural machine translation, and Penn Treebank.
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我们使用高斯过程扰动模型在高维二次上的真实和批量风险表面之间的高斯过程扰动模型分析和解释迭代平均的泛化性能。我们从我们的理论结果中获得了三个现象\姓名：}（1）将迭代平均值（ia）与大型学习率和正则化进行了改进的正规化的重要性。 （2）对较少频繁平均的理由。 （3）我们预计自适应梯度方法同样地工作，或者更好，而不是其非自适应对应物的迭代平均值。灵感来自这些结果\姓据{，一起与}对迭代解决方案多样性的适当正则化的重要性，我们提出了两个具有迭代平均的自适应算法。与随机梯度下降（SGD）相比，这些结果具有明显更好的结果，需要较少调谐并且不需要早期停止或验证设定监视。我们在各种现代和古典网络架构上展示了我们对CiFar-10/100，Imagenet和Penn TreeBank数据集的方法的疗效。
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这项工作研究了基于梯度的算法的现有理论分析与训练深神经网络的实践之间的深刻断开。具体而言，我们提供了数值证据，表明在大规模神经网络训练（例如Imagenet + Resnet101和WT103 + Transformerxl模型）中，神经网络的权重不会融合到损失的梯度为零的固定点。然而，值得注意的是，我们观察到，即使权重不融合到固定点，最小化损耗函数的进展和训练损失稳定下来。受到这一观察的启发，我们提出了一种基于动力学系统的千古理论来解释它的新观点。我们没有研究权重演化，而是研究权重分布的演变。我们证明了权重分布到近似不变的度量，从而解释了训练损失如何稳定而无需重合到固定点。我们进一步讨论了这种观点如何更好地调整优化理论与机器学习实践中的经验观察。
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梯度下降可能令人惊讶地擅长优化深层神经网络，而不会过度拟合并且没有明确的正则化。我们发现，梯度下降的离散步骤通过惩罚具有较大损耗梯度的梯度下降轨迹来隐式化模型。我们称之为隐式梯度正则化（IGR），并使用向后错误分析来计算此正则化的大小。我们从经验上确认，隐式梯度正则化偏向梯度下降到平面最小值，在该较小情况下，测试误差很小，溶液对嘈杂的参数扰动是可靠的。此外，我们证明了隐式梯度正规化项可以用作显式正常化程序，从而使我们能够直接控制此梯度正则化。从更广泛的角度来看，我们的工作表明，向后错误分析是一种有用的理论方法，即对学习率，模型大小和参数正则化如何相互作用以确定用梯度下降优化的过度参数化模型的属性。
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关于自适应梯度方法等自适应梯度方法等训练动力的知之甚少。在本文中，我们阐明了这些算法在全批处理和足够大的批处理设置中的行为。具体而言，我们从经验上证明，在全批训练中，预处理的Hessian的最大特征值通常在某个数值下平衡 - 梯度下降算法的稳定性阈值。对于带有步长$ \ eta $和$ \ beta_1 = 0.9 $的Adam，此稳定性阈值为$ 38/\ eta $。在Minibatch培训期间发生了类似的影响，尤其是随着批处理大小的增长。然而，即使自适应方法在``稳定性的自适应边缘''（AEOS）上训练，但它们在该制度中的行为与EOS的非自适应方法的行为有很大不同。 EOS处的非自适应算法被阻止进入损失景观的高曲率区域，而AEOS的自适应梯度方法可以继续前进到高外观区域，同时适应预先调节器以补偿。我们的发现可以成为社区对深度学习中适应性梯度方法的未来理解的基础。
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在给出深层神经网络成功的理论上说明的尝试中，最近的一项工作已经确定了所谓的“懒惰”制度，在该制度中，网络可以通过其围绕初始化的线性化来很好地近似。在这里，我们根据示例的难度研究了懒惰（线性）和特征学习（非线性）制度对示例子组的比较效应。具体而言，我们表明，在功能学习模式下给出了更容易的示例，与更困难的训练相比，训练更快。换句话说，非线性动力学倾向于顺序学习增加难度的示例。我们在不同的方式上说明了这种现象，以量化示例难度，包括C得分，标签噪声以及存在虚假相关性。我们的结果揭示了对深度网络在示例难度范围内如何优先资源的新理解。
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当我们扩大数据集，模型尺寸和培训时间时，深入学习方法的能力中存在越来越多的经验证据。尽管有一些关于这些资源如何调节统计能力的说法，但对它们对模型培训的计算问题的影响知之甚少。这项工作通过学习$ 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。
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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。
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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。
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This paper proposes a new optimization algorithm called Entropy-SGD for training deep neural networks that is motivated by the local geometry of the energy landscape. Local extrema with low generalization error have a large proportion of almost-zero eigenvalues in the Hessian with very few positive or negative eigenvalues. We leverage upon this observation to construct a local-entropy-based objective function that favors well-generalizable solutions lying in large flat regions of the energy landscape, while avoiding poorly-generalizable solutions located in the sharp valleys. Conceptually, our algorithm resembles two nested loops of SGD where we use Langevin dynamics in the inner loop to compute the gradient of the local entropy before each update of the weights. We show that the new objective has a smoother energy landscape and show improved generalization over SGD using uniform stability, under certain assumptions. Our experiments on convolutional and recurrent networks demonstrate that Entropy-SGD compares favorably to state-of-the-art techniques in terms of generalization error and training time.
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