本文考虑了深神经网络中随机矩阵普遍性的几个方面。在最近的实验工作中，我们使用与局部统计相关的随机矩阵的普遍特性，以基于其Hessians的现实模型来获得对深神经网络的实际含义。特别是，我们得出了深度神经网络光谱中异常值的普遍方面，并证明了随机矩阵局部定律在流行的预处理梯度下降算法中的重要作用。我们还通过基于统计物理学和随机矩阵理论的工具的一般参数，对深度神经网络损失表面的见解。

我们调查人工神经网络的损失表面Hessians的局部光谱统计数据，在那里我们发现跨多个网络架构和数据集的高斯正交集合统计数据非常一致。这些结果阐述了随机矩阵理论对神经网络建模的适用性，并提出了在深度学习中损失表面研究中的先前未被识别的作用。通过这些观察的启发，我们提出了一种新颖的神经网络的真正损失表面模型，与我们的观察结果一致，这允许Hessian光谱密度在实践中广泛观察到具有秩的退化性和异常值，并预测损失梯度的独立性越来越长重量空间中距离的函数。我们进一步调查了神经网络中真正损失表面的重要性，并与以前的工作相比，找到了定位全球最小值的指数硬度对实现最新性能的实际后果。

我们调查了Wigner半圈和Marcenko-Pastur分布，通常用于深度神经网络理论分析，匹配经验观察到的光谱密度。我们发现甚至允许异常值，观察到的光谱形状强烈地偏离了这种理论预测。这提出了关于这些模型在深度学习中的有用性的重要问题。我们进一步表明，理论结果，例如关键点的分层性质，强烈依赖于这些限制光谱密度的确切形式的使用。我们考虑两个新的矩阵集合;随机Wigner / Wishart集合产品和渗透的Wigner / Wishart集合，两者都更好地匹配观察光谱。它们还给出了原点的大型离散光谱峰，为观察提供了一种理论解释，即各种Optima可以通过一维的低损耗值连接。我们进一步表明，在随机矩阵产品的情况下，离散光谱分量的重量为0美元取决于权重矩阵的尺寸的比率。

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 $。

张量模型在许多领域中起着越来越重要的作用，特别是在机器学习中。在几种应用中，例如社区检测，主题建模和高斯混合物学习，必须估算噪声张量的低级别信号。因此，了解该信号的估计器的基本限制不可避免地要求研究随机张量。最近，在大维限制中，该主题取得了实质性进展。然而，其中一些最重要的结果（尤其是对突然的相变（相对于信噪比）的精确表征），该表现控制着对称等级的最大可能性（ML）估计器的性能 - 具有高斯噪声的模型 - 基于平均场自旋玻璃理论得出，非专家不容易访问。在这项工作中，我们依靠标准但强大的工具开发出一种截然不同，更基本的方法，这是由随机矩阵理论的多年进步带来的。关键思想是研究由给定随机张量的收缩引起的随机矩阵的光谱。我们展示了如何访问随机张量本身的光谱属性。对于上述排名衡量模型，我们的技术产生了迄今未知的固定点方程，其解决方案与第三阶情况下的相变阈值高于相变阈值的ML估计器的渐近性能。数值验证提供了证据，表明订单4和5相同，导致我们猜想，对于任何顺序，我们的定点方程等于已知的ML估计性能的表征，这些表现通过依靠旋转玻璃而获得。此外，我们的方法阐明了ML问题景观的某些特性，可以扩展到其他模型，例如不对称和非高斯。

我们认为越来越复杂的矩阵去噪和贝叶斯最佳设置中的文章学习模型，在挑战性的政权中，在矩阵推断出与系统尺寸线性的排名增加。这与大多数现有的文献相比，与低秩（即常数级别）制度相关的文献相反。我们首先考虑一类旋转不变的矩阵去噪，使用来自随机矩阵理论的标准技术来计算的互动信息和最小均方误差。接下来，我们分析了字典学习的更具挑战性模式。为此，我们将复制方法与随机矩阵理论一起介绍了复制品方法的新组合，共同矩阵理论，Coined光谱副本方法。它允许我们猜测隐藏表示与字典学习问题的嘈杂数据之间的相互信息的变分形式，以及定量最佳重建误差的重叠。所提出的方法从$ \ theta（n ^ 2）$（矩阵条目）到$ \ theta（n）$（特征值或奇异值）减少自由度的数量，并产生的互信息的库仑气体表示让人想起物理学中的矩阵模型。主要成分是使用Harishchandra-Itzykson-Zuber球形积分，结合新的复制对称解耦Ansatz，在特定重叠矩阵的特征值（或奇异值）的概率分布的水平上。

We develop new theoretical results on matrix perturbation to shed light on the impact of architecture on the performance of a deep network. In particular, we explain analytically what deep learning practitioners have long observed empirically: the parameters of some deep architectures (e.g., residual networks, ResNets, and Dense networks, DenseNets) are easier to optimize than others (e.g., convolutional networks, ConvNets). Building on our earlier work connecting deep networks with continuous piecewise-affine splines, we develop an exact local linear representation of a deep network layer for a family of modern deep networks that includes ConvNets at one end of a spectrum and ResNets, DenseNets, and other networks with skip connections at the other. For regression and classification tasks that optimize the squared-error loss, we show that the optimization loss surface of a modern deep network is piecewise quadratic in the parameters, with local shape governed by the singular values of a matrix that is a function of the local linear representation. We develop new perturbation results for how the singular values of matrices of this sort behave as we add a fraction of the identity and multiply by certain diagonal matrices. A direct application of our perturbation results explains analytically why a network with skip connections (such as a ResNet or DenseNet) is easier to optimize than a ConvNet: thanks to its more stable singular values and smaller condition number, the local loss surface of such a network is less erratic, less eccentric, and features local minima that are more accommodating to gradient-based optimization. Our results also shed new light on the impact of different nonlinear activation functions on a deep network's singular values, regardless of its architecture.

Classical asymptotic theory for statistical inference usually involves calibrating a statistic by fixing the dimension $d$ while letting the sample size $n$ increase to infinity. Recently, much effort has been dedicated towards understanding how these methods behave in high-dimensional settings, where $d$ and $n$ both increase to infinity together. This often leads to different inference procedures, depending on the assumptions about the dimensionality, leaving the practitioner in a bind: given a dataset with 100 samples in 20 dimensions, should they calibrate by assuming $n \gg d$, or $d/n \approx 0.2$? This paper considers the goal of dimension-agnostic inference; developing methods whose validity does not depend on any assumption on $d$ versus $n$. We introduce an approach that uses variational representations of existing test statistics along with sample splitting and self-normalization to produce a new test statistic with a Gaussian limiting distribution, regardless of how $d$ scales with $n$. The resulting statistic can be viewed as a careful modification of degenerate U-statistics, dropping diagonal blocks and retaining off-diagonal blocks. We exemplify our technique for some classical problems including one-sample mean and covariance testing, and show that our tests have minimax rate-optimal power against appropriate local alternatives. In most settings, our cross U-statistic matches the high-dimensional power of the corresponding (degenerate) U-statistic up to a $\sqrt{2}$ factor.

强大的机器学习模型的开发中的一个重要障碍是协变量的转变，当训练和测试集的输入分布时发生的分配换档形式在条件标签分布保持不变时发生。尽管现实世界应用的协变量转变普遍存在，但在现代机器学习背景下的理论理解仍然缺乏。在这项工作中，我们检查协变量的随机特征回归的精确高尺度渐近性，并在该设置中提出了限制测试误差，偏差和方差的精确表征。我们的结果激发了一种自然部分秩序，通过协变速转移，提供足够的条件来确定何时何时损害（甚至有助于）测试性能。我们发现，过度分辨率模型表现出增强的协会转变的鲁棒性，为这种有趣现象提供了第一个理论解释之一。此外，我们的分析揭示了分销和分发外概率性能之间的精确线性关系，为这一令人惊讶的近期实证观察提供了解释。

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 $）。

本文评价用机器学习问题的数值优化方法。由于机器学习模型是高度参数化的，我们专注于适合高维优化的方法。我们在二次模型上构建直觉，以确定哪种方法适用于非凸优化，并在凸函数上开发用于这种方法的凸起函数。随着随机梯度下降和动量方法的这种理论基础，我们试图解释为什么机器学习领域通常使用的方法非常成功。除了解释成功的启发式之外，最后一章还提供了对更多理论方法的广泛审查，这在实践中并不像惯例。所以在某些情况下，这项工作试图回答这个问题：为什么默认值中包含的默认TensorFlow优化器？

深神经网络（DNN）是用于压缩和蒸馏信息的强大工具。由于它们的规模和复杂性，通常涉及数十亿间相互作用的内部自由度，精确分析方法通常会缩短。这种情况下的共同策略是识别平均潜在的快速微观变量的不稳定行为的缓慢自由度。在这里，我们在训练结束时识别在过度参数化的深卷积神经网络（CNNS）中发生的尺度的分离。它意味着神经元预激活与几乎高斯的方式与确定性潜在内核一起波动。在对于具有无限许多频道的CNN来说，这些内核是惰性的，对于有限的CNNS，它们以分析的方式通过数据适应和学习数据。由此产生的深度学习的热力学理论产生了几种深度非线性CNN玩具模型的准确预测。此外，它还提供了新的分析和理解CNN的方法。

随机梯度下降（SGD）是现代机器学习的支柱，是各种问题的首选优化算法。尽管SGD的经验成功通常归因于其计算效率和有利的概括行为，但两者都没有充分理解和解散它们仍然是一个开放的问题。即使在简单的凸二次问题的设置中，最坏情况分析也给SGD的渐近收敛率提供了不比全批梯度下降（GD）更好的，而SGD的所谓隐式正则作用缺乏精确的解释。在这项工作中，我们研究了高维凸四边形上多通sgd的动力学，并建立了与随机微分方程的渐近等效性，我们称之为同质化的随机梯度下降（HSGD），我们的解决方案我们以我们的解决方案的方式明确表征Volterra积分方程。这些结果为学习和风险轨迹提供精确的公式，该公式揭示了隐性条件的机制，该机制解释了SGD相对于GD的效率。我们还证明，来自SGD的噪声会对泛化性能产生负面影响，排除在这种情况下任何类型的隐式正则化的可能性。最后，我们展示了如何适应HSGD形式主义以包括流媒体SGD，这使我们能够针对相对于流SGD（Bootstrap风险）的多通SGD的多余风险产生确切的预测。

这项正在进行的工作旨在为统计学习提供统一的介绍，从诸如GMM和HMM等经典模型到现代神经网络（如VAE和扩散模型）缓慢地构建。如今，有许多互联网资源可以孤立地解释这一点或新的机器学习算法，但是它们并没有（也不能在如此简短的空间中）将这些算法彼此连接起来，或者与统计模型的经典文献相连现代算法出现了。同样明显缺乏的是一个单一的符号系统，尽管对那些已经熟悉材料的人（如这些帖子的作者）不满意，但对新手的入境造成了重大障碍。同样，我的目的是将各种模型（尽可能）吸收到一个用于推理和学习的框架上，表明（以及为什么）如何以最小的变化将一个模型更改为另一个模型（其中一些是新颖的，另一些是文献中的）。某些背景当然是必要的。我以为读者熟悉基本的多变量计算，概率和统计以及线性代数。这本书的目标当然不是​​完整性，而是从基本知识到过去十年中极强大的新模型的直线路径或多或少。然后，目标是补充而不是替换，诸如Bishop的\ emph {模式识别和机器学习}之类的综合文本，该文本现在已经15岁了。

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。

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。

Testing the significance of a variable or group of variables $X$ for predicting a response $Y$, given additional covariates $Z$, is a ubiquitous task in statistics. A simple but common approach is to specify a linear model, and then test whether the regression coefficient for $X$ is non-zero. However, when the model is misspecified, the test may have poor power, for example when $X$ is involved in complex interactions, or lead to many false rejections. In this work we study the problem of testing the model-free null of conditional mean independence, i.e. that the conditional mean of $Y$ given $X$ and $Z$ does not depend on $X$. We propose a simple and general framework that can leverage flexible nonparametric or machine learning methods, such as additive models or random forests, to yield both robust error control and high power. The procedure involves using these methods to perform regressions, first to estimate a form of projection of $Y$ on $X$ and $Z$ using one half of the data, and then to estimate the expected conditional covariance between this projection and $Y$ on the remaining half of the data. While the approach is general, we show that a version of our procedure using spline regression achieves what we show is the minimax optimal rate in this nonparametric testing problem. Numerical experiments demonstrate the effectiveness of our approach both in terms of maintaining Type I error control, and power, compared to several existing approaches.

聚类是无监督学习中的基本原始，它引发了丰富的计算挑战性推理任务。在这项工作中，我们专注于将$ D $ -dimential高斯混合的规范任务与未知（和可能的退化）协方差集成。最近的作品（Ghosh等人。恢复在高斯聚类实例中种植的某些隐藏结构。在许多类似的推理任务上的工作开始，这些较低界限强烈建议存在群集的固有统计到计算间隙，即群集任务是\ yringit {statistically}可能但没有\ texit {多项式 - 时间}算法成功。我们考虑的聚类任务的一个特殊情况相当于在否则随机子空间中找到种植的超立体载体的问题。我们表明，也许令人惊讶的是，这种特定的聚类模型\ extent {没有展示}统计到计算间隙，即使在这种情况下继续应用上述的低度和SOS下限。为此，我们提供了一种基于Lenstra - Lenstra - Lovasz晶格基础减少方法的多项式算法，该方法实现了$ D + 1 $样本的统计上最佳的样本复杂性。该结果扩展了猜想统计到计算间隙的问题的类问题可以通过“脆弱”多项式算法“关闭”，突出显示噪声在统计到计算间隙的发作中的关键而微妙作用。

In many modern applications of deep learning the neural network has many more parameters than the data points used for its training. Motivated by those practices, a large body of recent theoretical research has been devoted to studying overparameterized models. One of the central phenomena in this regime is the ability of the model to interpolate noisy data, but still have test error lower than the amount of noise in that data. arXiv:1906.11300 characterized for which covariance structure of the data such a phenomenon can happen in linear regression if one considers the interpolating solution with minimum $\ell_2$-norm and the data has independent components: they gave a sharp bound on the variance term and showed that it can be small if and only if the data covariance has high effective rank in a subspace of small co-dimension. We strengthen and complete their results by eliminating the independence assumption and providing sharp bounds for the bias term. Thus, our results apply in a much more general setting than those of arXiv:1906.11300, e.g., kernel regression, and not only characterize how the noise is damped but also which part of the true signal is learned. Moreover, we extend the result to the setting of ridge regression, which allows us to explain another interesting phenomenon: we give general sufficient conditions under which the optimal regularization is negative.

随机奇异值分解（RSVD）是用于计算大型数据矩阵截断的SVD的一类计算算法。给定A $ n \ times n $对称矩阵$ \ mathbf {m} $，原型RSVD算法输出通过计算$ \ mathbf {m mathbf {m} $的$ k $引导singular vectors的近似m}^{g} \ mathbf {g} $;这里$ g \ geq 1 $是一个整数，$ \ mathbf {g} \ in \ mathbb {r}^{n \ times k} $是一个随机的高斯素描矩阵。在本文中，我们研究了一般的“信号加上噪声”框架下的RSVD的统计特性，即，观察到的矩阵$ \ hat {\ mathbf {m}} $被认为是某种真实但未知的加法扰动信号矩阵$ \ mathbf {m} $。我们首先得出$ \ ell_2 $（频谱规范）和$ \ ell_ {2 \ to \ infty} $（最大行行列$ \ ell_2 $ norm）$ \ hat {\ hat {\ Mathbf {M}} $和信号矩阵$ \ Mathbf {M} $的真实单数向量。这些上限取决于信噪比（SNR）和功率迭代$ g $的数量。观察到一个相变现象，其中较小的SNR需要较大的$ g $值以保证$ \ ell_2 $和$ \ ell_ {2 \ to \ fo \ infty} $ distances的收敛。我们还表明，每当噪声矩阵满足一定的痕量生长条件时，这些相变发生的$ g $的阈值都会很清晰。最后，我们得出了近似奇异向量的行波和近似矩阵的进入波动的正常近似。我们通过将RSVD的几乎最佳性能保证在应用于三个统计推断问题的情况下，即社区检测，矩阵完成和主要的组件分析，并使用缺失的数据来说明我们的理论结果。