在本文中，我们在学习多层感知（MLPS）中发现了两相现象。即，在第一阶段，培训损失不会显着降低，但不同样本之间的特征的相似性不断增加，这伤害了特征多样性。我们在MLP的学习动态方面解释了这样的两阶段现象。此外，我们提出了两个归一化操作来消除两相现象，这避免了特征多样性的减少，并加快了培训过程。

本文的目的是理论上分析具有relu层的分段线性DNN中编码的特征转换的复杂性。我们建议指标根据信息理论衡量转换的三种复杂性。我们进一步发现并证明了转换的复杂性和分离之间的密切相关性。根据提议的指标，我们分析了训练过程中转换复杂性变化的两个典型现象，并探索DNN复杂性的上限。所提出的指标也可以用作学习具有最小复杂性的DNN的损失，这也控制DNN的过度拟合水平并影响对抗性的鲁棒性，对抗性转移性和知识一致性。全面的比较研究为了解DNN提供了新的观点。

本文探讨了深度神经网络（DNN）的特征表示的瓶颈，从DNN中编码的输入变量之间的相互作用的复杂性的角度来看。为此，我们专注于输入变量之间的多阶交互，其中顺序表示交互的复杂性。我们发现DNN更有可能编码过于简单的相互作用和过于复杂的相互作用，但通常无法学习中间复杂性的相互作用。这种现象被不同的DNN广泛共享，用于不同的任务。这种现象表明了DNN和人类之间的认知差距，我们称之为瓶颈。理论上，理论上证明了代表瓶颈的潜在原因。此外，我们提出了鼓励/惩罚特定复杂性的相互作用的损失，并分析不同复杂性相互作用的表示能力。

最近的发现（例如ARXIV：2103.00065）表明，通过全批梯度下降训练的现代神经网络通常进入一个称为稳定边缘（EOS）的政权。在此制度中，清晰度（即最大的Hessian特征值）首先增加到值2/（步长尺寸）（渐进锐化阶段），然后在该值（EOS相）周围振荡。本文旨在分析沿优化轨迹的GD动力学和清晰度。我们的分析自然将GD轨迹分为四个阶段，具体取决于清晰度的变化。从经验上，我们将输出层重量的规范视为清晰动力学的有趣指标。基于这一经验观察，我们尝试从理论和经验上解释导致EOS每个阶段清晰度变化的各种关键量的动力学。此外，基于某些假设，我们提供了两层完全连接的线性神经网络中EOS制度的清晰度行为的理论证明。我们还讨论了其他一些经验发现以及我们的理论结果的局限性。

人们通常认为，修剪网络不仅会降低深网的计算成本，而且还可以通过降低模型容量来防止过度拟合。但是，我们的工作令人惊讶地发现，网络修剪有时甚至会加剧过度拟合。我们报告了出乎意料的稀疏双后裔现象，随着我们通过网络修剪增加模型稀疏性，首先测试性能变得更糟（由于过度拟合），然后变得更好（由于过度舒适），并且终于变得更糟（由于忘记了有用的有用信息）。尽管最近的研究集中在模型过度参数化方面，但他们未能意识到稀疏性也可能导致双重下降。在本文中，我们有三个主要贡献。首先，我们通过广泛的实验报告了新型的稀疏双重下降现象。其次，对于这种现象，我们提出了一种新颖的学习距离解释，即$ \ ell_ {2} $稀疏模型的学习距离（从初始化参数到最终参数）可能与稀疏的双重下降曲线良好相关，并更好地反映概括比最小平坦。第三，在稀疏的双重下降的背景下，彩票票假设中的获胜票令人惊讶地并不总是赢。

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。

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。

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。

懒惰培训制度中的神经网络收敛到内核机器。在丰富的特征学习制度中可以在丰富的特征学习制度中可以使用数据依赖性内核来学习内核机器吗？我们证明，这可以是由于我们术语静音对准的现象，这可能需要网络的切线内核在特征内演变，而在小并且在损失明显降低，并且之后仅在整体尺度上生长。我们表明这种效果在具有小初始化和白化数据的同质神经网络中进行。我们在线性网络壳体提供了对这种效果的分析处理。一般来说，我们发现内核在训练的早期阶段开发了低级贡献，然后在总体上发展，产生了与最终网络的切线内核的内核回归解决方案等同的函数。内核的早期光谱学习取决于深度。我们还证明了非白化数据可以削弱无声的对准效果。

重要的是要了解流行的正则化方法如何帮助神经网络训练找到良好的概括解决方案。在这项工作中，我们从理论上得出了辍学的隐式正则化，并研究了损失函数的Hessian矩阵与辍学噪声的协方差矩阵之间的关系，并由一系列实验支持。然后，我们在数值上研究了辍学的隐式正规化的两个含义，这直觉上合理化了辍学有助于概括。首先，我们发现辍学的训练与实验中的标准梯度下降训练相比，发现具有最低最小的神经网络，而隐式正则化是找到平坦溶液的关键。其次，经过辍学的训练，隐藏神经元的输入权重（隐藏神经元的输入权重由其输入层到隐藏的神经元及其偏见项组成），往往会凝结在孤立的方向上。凝结是非线性学习过程中的一个功能，它使神经网络的复杂性低。尽管我们的理论主要集中在最后一个隐藏层中使用的辍学，但我们的实验适用于训练神经网络中的一般辍学。这项工作指出了与随机梯度下降相比，辍学的独特特征，是完全理解辍学的重要基础。

分布式深度学习（DDL）对于大型深度学习（DL）培训至关重要。同步随机梯度下降（SSGD）1是事实上的DDL优化方法。使用足够大的批量大小对于实现DDL运行时加速至关重要。在大量批量设置中，必须增加学习速率以补偿减少的参数更新数量。然而，大型学习率可能会损害SSGD和培训可以很容易地分歧。最近，已经提出了分散的平行SGD（DPSGD）以改善分布式训练速度。在本文中，我们发现DPSGD不仅具有系统明智的运行时效，而且在大批量设置中对SSGD的显着收敛性有益。基于对DPSGD学习动态的详细分析，我们发现DPSGD引入了额外的横向依赖性噪声，可自动调整有效的学习率以提高收敛。此外，我们理论上表明这种噪音平滑了损失景观，因此允许更大的学习率。我们在18个最先进的DL模型/任务中进行广泛的研究，并证明DPSGD通常会收敛于SSGD在大批批量设置中大的学习速率的情况下融合。我们的发现一致地遍布两个不同的应用领域：计算机视觉（CIFAR10和Imagenet-1K）和自动语音识别（SWB300和SWB2000），以及两种不同类型的神经网络模型：卷积神经网络和长短期内存经常性神经网络。

在许多情况下，更简单的模型比更复杂的模型更可取，并且该模型复杂性的控制是机器学习中许多方法的目标，例如正则化，高参数调整和体系结构设计。在深度学习中，很难理解复杂性控制的潜在机制，因为许多传统措施并不适合深度神经网络。在这里，我们开发了几何复杂性的概念，该概念是使用离散的dirichlet能量计算的模型函数变异性的量度。使用理论论据和经验结果的结合，我们表明，许多常见的训练启发式方法，例如参数规范正规化，光谱规范正则化，平稳性正则化，隐式梯度正则化，噪声正则化和参数初始化的选择，都可以控制几何学复杂性，并提供一个统一的框架，以表征深度学习模型的行为。

Deep learning has revolutionized human society, yet the black-box nature of deep neural networks hinders further application to reliability-demanded industries. In the attempt to unpack them, many works observe or impact internal variables to improve the model's comprehensibility and transparency. However, existing methods rely on intuitive assumptions and lack mathematical guarantees. To bridge this gap, we introduce Bort, an optimizer for improving model explainability with boundedness and orthogonality constraints on model parameters, derived from the sufficient conditions of model comprehensibility and transparency. We perform reconstruction and backtracking on the model representations optimized by Bort and observe an evident improvement in model explainability. Based on Bort, we are able to synthesize explainable adversarial samples without additional parameters and training. Surprisingly, we find Bort constantly improves the classification accuracy of various architectures including ResNet and DeiT on MNIST, CIFAR-10, and ImageNet.

本文提出了一种可视化DNN编码的中间层视觉模式的辨别力的方法。具体而言，我们可视化（1）DNN在训练过程中如何逐渐学习各个中间层中的区域视觉模式，（2）DNN使用低层中的非辨别模式的效果来构建中/高层中的剥离图案通过前向传播。基于我们的可视化方法，我们可以量化DNN学习的知识点（即，判别视觉模式的数量）来评估DNN的表示能力。此外，该方法还提供了新的洞察现有的深度学习技术的信号处理行为，例如对抗攻击和知识蒸馏。

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 $。

尽管已经提出了许多方法来增强对抗性扰动的可转移性，但这些方法是以启发式方式设计的，并且尚不清楚改善对抗性转移性的基本机制。本文总结了在统一视图中以十二个以前的可传递性提高方法共享的共同机制，即这些方法都减少了区域对抗性扰动之间的游戏理论相互作用。为此，我们专注于区域对抗扰动之间所有相互作用的攻击效用，我们首先发现并证明了对抗传递性与相互作用的攻击效用之间的负相关性。基于这一发现，我们从理论上证明并从经验上验证了十二种以前的可传递性提高方法均减少了区域对抗扰动之间的相互作用。更重要的是，我们将相互作用的减少视为增强对抗性转移性的基本原因。此外，我们设计了交互损失，以直接惩罚攻击过程中区域对抗扰动之间的相互作用。实验结果表明，相互作用损失显着提高了对抗扰动的转移性。

尽管神经网络取得了巨大的经验成功，但对培训程序的理论理解仍然有限，尤其是在为优化问题的非凸性性质而提供测试性能的性能保证时。当前的论文通过简化了凸结构的另一个问题来研究神经网络培训的另一种方法 - 解决单调变异不平等（MVI） - 灵感来自最近的工作（Juditsky＆Nemirovsky，2019年）。可以通过计算有效的过程找到对MVI的解决方案，重要的是，这会导致$ \ ell_2 $和$ \ ell _ {\ elfty} $在模型恢复和预测准确性下的性能保证层线性神经网络。此外，我们研究了MVI在训练多层神经网络中的使用，并提出了一种称为\ textit {随机变异不平等}（SVI）的实用算法，并证明了其在训练完全连接的神经网络和图形神经网络（GNN）中的适用性（GNN ）（SVI是完全一般的，可用于训练其他类型的神经网络）。与广泛使用的随机梯度下降方法相比，我们证明了SVI的竞争性或更好的性能，涉及各种性能指标的合成和真实网络数据预测任务，尤其是在培训早期阶段提高效率方面。

具有动量的随机梯度下降（SGD）被广泛用于训练现代深度学习体系结构。虽然可以很好地理解使用动量可以导致在各种环境中更快的收敛速率，但还观察到动量会产生更高的概括。先前的工作认为，动量在训练过程中稳定了SGD噪声，这会导致更高的概括。在本文中，我们采用了另一种观点，并首先在经验上表明，与梯度下降（GD）相比，具有动量（GD+M）的梯度下降在某些深度学习问题中显着改善了概括。从这个观察结果，我们正式研究了动量如何改善概括。我们设计了一个二进制分类设置，在该设置中，当两种算法都类似地初始化时，经过GD+M训练的单个隐藏层（过度参数化）卷积神经网络比使用GD训练的同一网络更好地概括了。我们分析中的关键见解是，动量在示例共享某些功能但边距不同的数据集中是有益的。与记住少量数据数据的GD相反，GD+M仍然通过其历史梯度来了解这些数据中的功能。最后，我们从经验上验证了我们的理论发现。

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。

虽然已知辍学是一种成功的正规化技术，但仍缺乏对导致成功的机制的见解。我们介绍了\ emph {重量膨胀}的概念，这增加了由权重协方差矩阵的列或行载体跨越的并行曲线的签名体积，并表明重量膨胀是增加PAC中概括的有效手段。 - bayesian设置。我们提供了一个理论上的论点，即辍学会导致体重扩大和对辍学和体重扩张之间相关性的广泛经验支持。为了支持我们的假设，即可以将重量扩张视为增强的概括能力的\ emph {指示器}，而不仅仅是副产品，我们还研究了实现重量扩展的其他方法（resp。\ contraction \ contraction ），发现它们通常会导致（分别\ \降低）的概括能力。这表明辍学是一种有吸引力的正规化器，因为它是一种用于获得体重扩展的计算廉价方法。这种洞察力证明了辍学者作为正规化器的作用，同时为确定正规化器铺平了道路，这些正规化器有望通过体重扩张来改善概括。