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。

We describe an algorithm that learns two-layer residual units using rectified linear unit (ReLU) activation: suppose the input $\mathbf{x}$ is from a distribution with support space $\mathbb{R}^d$ and the ground-truth generative model is a residual unit of this type, given by $\mathbf{y} = \boldsymbol{B}^\ast\left[\left(\boldsymbol{A}^\ast\mathbf{x}\right)^+ + \mathbf{x}\right]$, where ground-truth network parameters $\boldsymbol{A}^\ast \in \mathbb{R}^{d\times d}$ represent a full-rank matrix with nonnegative entries and $\boldsymbol{B}^\ast \in \mathbb{R}^{m\times d}$ is full-rank with $m \geq d$ and for $\boldsymbol{c} \in \mathbb{R}^d$, $[\boldsymbol{c}^{+}]_i = \max\{0, c_i\}$. We design layer-wise objectives as functionals whose analytic minimizers express the exact ground-truth network in terms of its parameters and nonlinearities. Following this objective landscape, learning residual units from finite samples can be formulated using convex optimization of a nonparametric function: for each layer, we first formulate the corresponding empirical risk minimization (ERM) as a positive semi-definite quadratic program (QP), then we show the solution space of the QP can be equivalently determined by a set of linear inequalities, which can then be efficiently solved by linear programming (LP). We further prove the strong statistical consistency of our algorithm, and demonstrate its robustness and sample efficiency through experimental results on synthetic data and a set of benchmark regression datasets.

我们开发了快速算法和可靠软件，以凸出具有Relu激活功能的两层神经网络的凸优化。我们的工作利用了标准的重量罚款训练问题作为一组组-YELL_1 $调查的数据本地模型的凸重新印度，其中局部由多面体锥体约束强制执行。在零规范化的特殊情况下，我们表明此问题完全等同于凸“ Gated Relu”网络的不受约束的优化。对于非零正则化的问题，我们表明凸面式relu模型获得了RELU训练问题的数据依赖性近似范围。为了优化凸的重新制定，我们开发了一种加速的近端梯度方法和实用的增强拉格朗日求解器。我们表明，这些方法比针对非凸问题（例如SGD）和超越商业内部点求解器的标准训练启发式方法要快。在实验上，我们验证了我们的理论结果，探索组-ELL_1 $正则化路径，并对神经网络进行比例凸的优化，以在MNIST和CIFAR-10上进行图像分类。

这项调查的目的是介绍对深神经网络的近似特性的解释性回顾。具体而言，我们旨在了解深神经网络如何以及为什么要优于其他经典线性和非线性近似方法。这项调查包括三章。在第1章中，我们回顾了深层网络及其组成非线性结构的关键思想和概念。我们通过在解决回归和分类问题时将其作为优化问题来形式化神经网络问题。我们简要讨论用于解决优化问题的随机梯度下降算法以及用于解决优化问题的后传播公式，并解决了与神经网络性能相关的一些问题，包括选择激活功能，成本功能，过度适应问题和正则化。在第2章中，我们将重点转移到神经网络的近似理论上。我们首先介绍多项式近似中的密度概念，尤其是研究实现连续函数的Stone-WeierStrass定理。然后，在线性近似的框架内，我们回顾了馈电网络的密度和收敛速率的一些经典结果，然后在近似Sobolev函数中进行有关深网络复杂性的最新发展。在第3章中，利用非线性近似理论，我们进一步详细介绍了深度和近似网络与其他经典非线性近似方法相比的近似优势。

最近的一些实证研究表明，重要的机器学习任务，例如训练深神网络，表现出低级别的结构，其中损耗函数仅在输入空间的几个方向上差异很大。在本文中，我们利用这种低级结构来降低基于规范梯度的方法（例如梯度下降（GD））的高计算成本。我们提出的\ emph {低率梯度下降}（lrgd）算法找到了$ \ epsilon $ - approximate的固定点$ p $ - 维功能，首先要识别$ r \ r \ leq p $重要的方向，然后估算真实的方向每次迭代的$ p $维梯度仅通过计算$ r $方向来计算定向衍生物。我们确定强烈凸和非convex目标函数的LRGD的“定向甲骨文复杂性”是$ \ Mathcal {o}（r \ log（1/\ epsilon） + rp） + rp）$ and $ \ Mathcal {o}（R /\ epsilon^2 + rp）$。当$ r \ ll p $时，这些复杂性小于$ \ mathcal {o}的已知复杂性（p \ log（1/\ epsilon））$和$ \ mathcal {o}（p/\ epsilon^2） {\ gd}的$分别在强凸和非凸口设置中。因此，LRGD显着降低了基于梯度的方法的计算成本，以实现足够低级别的功能。在分析过程中，我们还正式定义和表征精确且近似级别函数的类别。

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。

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。

图表卷积网络（GCNS）在各种半监督节点分类任务中取得了令人印象深刻的实证进步。尽管取得了巨大的成功，但在大型图形上培训GCNS遭受了计算和内存问题。规避这些障碍的潜在路径是基于采样的方法，其中在每个层处采样节点的子集。虽然最近的研究已经证明了基于采样的方法的有效性，但这些作品缺乏在现实环境下的理论融合担保，并且不能完全利用优化期间演出参数的信息。在本文中，我们描述并分析了一般的双差异减少模式，可以在内存预算下加速任何采样方法。所提出的模式的激励推动是仔细分析采样方法的差异，其中示出了诱导方差可以在前进传播期间分解为节点嵌入近似方差（Zeroth阶差异）（第一 - 顺序变化）在后向传播期间。理论上，从理论上分析所提出的架构的融合，并显示它享有$ \ Mathcal {O}（1 / T）$收敛率。我们通过将建议的模式集成在不同的采样方法中并将其应用于不同的大型实际图形来补充我们的理论结果。

图卷积网络（GCN）最近在学习图形结构数据方面取得了巨大的经验成功。为了解决由于相邻特征的递归嵌入而导致的可伸缩性问题，已经提出了图形拓扑抽样来降低训练GCN的记忆和计算成本，并且在许多经验研究中，它与没有拓扑采样的人达到了可比的测试性能。据我们所知，本文为半监督节点分类的训练（最多）三层GCN提供了图形拓扑采样的第一个理论理由。我们正式表征了图形拓扑抽样的一些足够条件，以使GCN训练导致概括误差减少。此外，我们的方法可以解决跨层的重量的非凸相互作用，这在GCN的现有理论分析中尚未探索。本文表征了图结构和拓扑抽样对概括性能和样本复杂性的影响，理论发现也通过数值实验证明了合理性。

神经体系结构搜索（NAS）促进了神经体系结构的自动发现，从而实现了图像识别的最新精度。尽管NAS取得了进展，但到目前为止，NAS对理论保证几乎没有关注。在这项工作中，我们研究了NAS在统一框架下的概括属性，从而实现（深）层跳过连接搜索和激活功能搜索。为此，我们从搜索空间（包括混合的激活功能，完全连接和残留的神经网络）的（包括）有限宽度方向上得出了神经切线核的最小特征值的下（和上）边界。由于在统一框架下的各种体系结构和激活功能的耦合，我们的分析是不平凡的。然后，我们利用特征值边界在随机梯度下降训练中建立NAS的概括误差界。重要的是，我们从理论上和实验上展示了衍生结果如何指导NAS，即使在没有培训的情况下，即使在没有培训的情况下，也可以根据我们的理论进行无训练的算法。因此，我们的数值验证阐明了NAS计算有效方法的设计。

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 $。

近期在应用于培训深度神经网络和数据分析中的其他优化问题中的非凸优化的优化算法的兴趣增加，我们概述了最近对非凸优化优化算法的全球性能保证的理论结果。我们从古典参数开始，显示一般非凸面问题无法在合理的时间内有效地解决。然后，我们提供了一个问题列表，可以通过利用问题的结构来有效地找到全球最小化器，因为可能的问题。处理非凸性的另一种方法是放宽目标，从找到全局最小，以找到静止点或局部最小值。对于该设置，我们首先为确定性一阶方法的收敛速率提出了已知结果，然后是最佳随机和随机梯度方案的一般理论分析，以及随机第一阶方法的概述。之后，我们讨论了非常一般的非凸面问题，例如最小化$ \ alpha $ -weakly-are-convex功能和满足Polyak-lojasiewicz条件的功能，这仍然允许获得一阶的理论融合保证方法。然后，我们考虑更高阶和零序/衍生物的方法及其收敛速率，以获得非凸优化问题。

神经网络修剪对于在预训练的密集网络架构中发现有效，高性能的子网有用。然而，更常见的是，它涉及三步过程 - 预先训练，修剪和重新训练 - 这是计算昂贵的，因为必须完全预先训练的密集模型。幸运的是，已经经过了多种作品，证明可以通过修剪发现高性能的子网，而无需完全预先训练密集网络。旨在理论上分析修剪网络表现良好的密集网络预培训量，我们发现在两层全连接网络上的SGD预训练迭代数量中发现了一个理论界限，超出了由此进行修剪贪婪的前瞻性选择产生了一个达到良好训练错误的子网。该阈值显示在对数上依赖于数据集的大小，这意味着具有较大数据集的实验需要更好地训练通过修剪以执行良好执行的子网。我们经验展示了我们在各种架构和数据集中的理论结果的有效性，包括在Mnist上培训的全连接网络以及在CIFAR10和ImageNet上培训的几个深度卷积神经网络（CNN）架构。

人工神经网络（ANN）训练景观的非凸起带来了固有的优化困难。虽然传统的背传播随机梯度下降（SGD）算法及其变体在某些情况下是有效的，但它们可以陷入杂散的局部最小值，并且对初始化和普通公共表敏感。最近的工作表明，随着Relu激活的ANN的培训可以重新重整为凸面计划，使希望能够全局优化可解释的ANN。然而，天真地解决凸训练制剂具有指数复杂性，甚至近似启发式需要立方时间。在这项工作中，我们描述了这种近似的质量，并开发了两个有效的算法，这些算法通过全球收敛保证培训。第一算法基于乘法器（ADMM）的交替方向方法。它解决了精确的凸形配方和近似对应物。实现线性全局收敛，并且初始几次迭代通常会产生具有高预测精度的解决方案。求解近似配方时，每次迭代时间复杂度是二次的。基于“采样凸面”理论的第二种算法更简单地实现。它解决了不受约束的凸形制剂，并收敛到大约全球最佳的分类器。当考虑对抗性培训时，ANN训练景观的非凸起加剧了。我们将稳健的凸优化理论应用于凸训练，开发凸起的凸起制剂，培训Anns对抗对抗投入。我们的分析明确地关注一个隐藏层完全连接的ANN，但可以扩展到更复杂的体系结构。

最近，随机梯度下降（SGD）及其变体已成为机器学习（ML）问题大规模优化的主要方法。已经提出了各种策略来调整步骤尺寸，从自适应步骤大小到启发式方法，以更改每次迭代中的步骤大小。此外，动力已被广泛用于ML任务以加速训练过程。然而，我们对它们的理论理解存在差距。在这项工作中，我们开始通过为一些启发式优化方法提供正式保证并提出改进的算法来缩小这一差距。首先，我们分析了凸面和非凸口设置的Adagrad（延迟Adagrad）步骤大小的广义版本，这表明这些步骤尺寸允许算法自动适应随机梯度的噪声水平。我们首次显示延迟Adagrad的足够条件，以确保梯度几乎融合到零。此外，我们对延迟的Adagrad及其在非凸面设置中的动量变体进行了高概率分析。其次，我们用指数级和余弦的步骤分析了SGD，在经验上取得了成功，但缺乏理论支持。我们在平滑和非凸的设置中为它们提供了最初的收敛保证，有或没有polyak-{\ l} ojasiewicz（pl）条件。我们还显示了它们在PL条件下适应噪声的良好特性。第三，我们研究动量方法的最后迭代。我们证明了SGD的最后一个迭代的凸设置中的第一个下限，并以恒定的动量。此外，我们研究了一类跟随基于领先的领导者的动量算法，并随着动量和收缩的更新而增加。我们表明，他们的最后一个迭代具有最佳的收敛性，用于无约束的凸随机优化问题。

We introduce a tunable loss function called $\alpha$-loss, parameterized by $\alpha \in (0,\infty]$, which interpolates between the exponential loss ($\alpha = 1/2$), the log-loss ($\alpha = 1$), and the 0-1 loss ($\alpha = \infty$), for the machine learning setting of classification. Theoretically, we illustrate a fundamental connection between $\alpha$-loss and Arimoto conditional entropy, verify the classification-calibration of $\alpha$-loss in order to demonstrate asymptotic optimality via Rademacher complexity generalization techniques, and build-upon a notion called strictly local quasi-convexity in order to quantitatively characterize the optimization landscape of $\alpha$-loss. Practically, we perform class imbalance, robustness, and classification experiments on benchmark image datasets using convolutional-neural-networks. Our main practical conclusion is that certain tasks may benefit from tuning $\alpha$-loss away from log-loss ($\alpha = 1$), and to this end we provide simple heuristics for the practitioner. In particular, navigating the $\alpha$ hyperparameter can readily provide superior model robustness to label flips ($\alpha > 1$) and sensitivity to imbalanced classes ($\alpha < 1$).

已经观察到图形神经网络（GNN）有时难以在跨节点上建模的长距离依赖性之间保持健康的平衡，同时避免了诸如过天平的节点表示的非线性后果。为了解决这个问题（以及其他事情），最近提出了两个单独的策略，即隐含和展开的GNN。前者将节点表示作为深度平衡模型的固定点，其可以有效地促进横跨图形的任意隐式传播，具有固定的存储器占用。相反，后者涉及将图形传播作为应用于某些图形正则化能功能的展开渐变迭代处理。在这种情况下激励，在本文中，我们仔细阐明了这些方法的相似性和差异，量化了他们所产生的解决方案的明确情况实际上是等同的，而行为发散的其他方法。这包括分析会聚，代表能力和解释性。我们还提供各种综合和公共现实世界基准的经验性头脑比较。

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。

我们引入了一种新型的数学公式，用于训练以（可能非平滑）近端图作为激活函数的馈送前向神经网络的培训。该公式基于布雷格曼的距离，关键优势是其相对于网络参数的部分导数不需要计算网络激活函数的导数。我们没有使用一阶优化方法和后传播的组合估算参数（如最先进的），而是建议使用非平滑一阶优化方法来利用特定结构新颖的表述。我们提出了几个数值结果，这些结果表明，与更常规的培训框架相比，这些训练方法可以很好地很好地适合于培训基于神经网络的分类器和具有稀疏编码的（DeNoising）自动编码器。

We propose a simultaneous learning and pruning algorithm capable of identifying and eliminating irrelevant structures in a neural network during the early stages of training. Thus, the computational cost of subsequent training iterations, besides that of inference, is considerably reduced. Our method, based on variational inference principles using Gaussian scale mixture priors on neural network weights, learns the variational posterior distribution of Bernoulli random variables multiplying the units/filters similarly to adaptive dropout. Our algorithm, ensures that the Bernoulli parameters practically converge to either 0 or 1, establishing a deterministic final network. We analytically derive a novel hyper-prior distribution over the prior parameters that is crucial for their optimal selection and leads to consistent pruning levels and prediction accuracy regardless of weight initialization or the size of the starting network. We prove the convergence properties of our algorithm establishing theoretical and practical pruning conditions. We evaluate the proposed algorithm on the MNIST and CIFAR-10 data sets and the commonly used fully connected and convolutional LeNet and VGG16 architectures. The simulations show that our method achieves pruning levels on par with state-of the-art methods for structured pruning, while maintaining better test-accuracy and more importantly in a manner robust with respect to network initialization and initial size.