在深度学习中的一个大神秘程度仍然是如何在模型参数的数量大于训练示例的数量时概括的方法。在这项工作中，我们迈向更好地了解深度自动化器（AES）的潜在现象，是用于学习压缩，可解释和结构化数据表示的主流深度学习解决方案。特别是，我们通过利用它们的连续分段仿射结构来解释AES如何近似数据流形。我们对AES的重新构建提供了新的见解，进入其映射，重建担保以及常用正则化技术的解释。我们利用这些发现导出了两个新的正规化，使能AES捕获数据中的固有对称性。我们的规范化利用了最近的转换组学习的进步，使AES能够更好地近似数据歧管，而无需明确定义歧管底层的基团。在假设数据的对称性可以通过LIE组解释，我们证明了规范化确保了相应AES的泛化。一系列实验评估表明，我们的方法优于其他最先进的正则化技术。

在现代深网（DNS）中，至关重要的，无处不在且知之甚少的成分是批处理（BN），它以特​​征图为中心并归一化。迄今为止，只有有限的进步才能理解为什么BN会提高DN学习和推理表现。工作专注于表明BN平滑DN的损失格局。在本文中，我们从函数近似的角度从理论上研究BN。我们利用这样一个事实，即当今最先进的DNS是连续的分段仿射（CPA），可以通过定义在输入空间的分区上定义的仿射映射来预测培训数据（所谓的“线性”区域”）。 {\ em我们证明了BN是一种无监督的学习技术，它独立于DN的权重或基于梯度的学习 - 适应DN的样条分区的几何形状以匹配数据。} BN提供了“智能初始化”，可提高“智能初始化” DN学习的性能，因为它甚至适应了以随机权重初始化的DN，以使其样条分区与数据保持一致。我们还表明，微型批次之间的BN统计数据的变化引入了辍学的随机扰动，以对分区边界，因此分类问题的决策边界。每次微型摄入扰动可通过增加训练样本和决策边界之间的边距来减少过度拟合并改善概括。

由编码器和解码器组成的自动编码器被广泛用于机器学习，以缩小高维数据的尺寸。编码器将输入数据歧管嵌入到较低的潜在空间中，而解码器表示反向映射，从而提供了潜在空间中的歧管的数据歧管的参数化。嵌入式歧管的良好规律性和结构可以实质性地简化进一步的数据处理任务，例如群集分析或数据插值。我们提出并分析了一种新的正则化，以学习自动编码器的编码器组件：一种损失功能，可倾向于等距，外层平坦的嵌入，并允许自行训练编码器。为了进行训练，假定对于输入歧管上的附近点，他们的本地riemannian距离及其本地riemannian平均水平可以评估。损失函数是通过蒙特卡洛集成计算的，具有不同的采样策略，用于输入歧管上的一对点。我们的主要定理将嵌入图的几何损失函数识别为$ \ gamma $ - 依赖于采样损失功能的限制。使用编码不同明确给定的数据歧管的图像数据的数值测试表明，将获得平滑的歧管嵌入到潜在空间中。由于促进了外部平坦度，这些嵌入足够规律，因此在潜在空间中线性插值可以作为一种可能的后处理。

自动编码是表示学习的一种流行方法。常规的自动编码器采用对称编码编码程序和简单的欧几里得潜在空间，以无监督的方式检测隐藏的低维结构。这项工作介绍了一个图表自动编码器，其中具有不对称编码编码过程，该过程可以包含其他半监督信息，例如类标签。除了增强使用复杂的拓扑结构和几何结构处理数据的能力外，这些模型还可以成功区分附近的数据，但仅与少量监督相交并与歧管相交。此外，该模型仅需要较低的复杂性编码器，例如局部线性投影。我们讨论了此类网络的理论近似能力，基本上取决于数据歧管的固有维度，而不是观测值的维度。我们对合成和现实世界数据的数值实验验证了所提出的模型可以有效地通过附近的多类，但分离不同类别，重叠的歧管和具有非平凡拓扑的歧管的数据。

Deep neural networks can approximate functions on different types of data, from images to graphs, with varied underlying structure. This underlying structure can be viewed as the geometry of the data manifold. By extending recent advances in the theoretical understanding of neural networks, we study how a randomly initialized neural network with piece-wise linear activation splits the data manifold into regions where the neural network behaves as a linear function. We derive bounds on the density of boundary of linear regions and the distance to these boundaries on the data manifold. This leads to insights into the expressivity of randomly initialized deep neural networks on non-Euclidean data sets. We empirically corroborate our theoretical results using a toy supervised learning problem. Our experiments demonstrate that number of linear regions varies across manifolds and the results hold with changing neural network architectures. We further demonstrate how the complexity of linear regions is different on the low dimensional manifold of images as compared to the Euclidean space, using the MetFaces dataset.

The success of machine learning algorithms generally depends on data representation, and we hypothesize that this is because different representations can entangle and hide more or less the different explanatory factors of variation behind the data. Although specific domain knowledge can be used to help design representations, learning with generic priors can also be used, and the quest for AI is motivating the design of more powerful representation-learning algorithms implementing such priors. This paper reviews recent work in the area of unsupervised feature learning and deep learning, covering advances in probabilistic models, auto-encoders, manifold learning, and deep networks. This motivates longer-term unanswered questions about the appropriate objectives for learning good representations, for computing representations (i.e., inference), and the geometrical connections between representation learning, density estimation and manifold learning.

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。

我们为特殊神经网络架构，称为运营商复发性神经网络的理论分析，用于近似非线性函数，其输入是线性运算符。这些功能通常在解决方案算法中出现用于逆边值问题的问题。传统的神经网络将输入数据视为向量，因此它们没有有效地捕获与对应于这种逆问题中的数据的线性运算符相关联的乘法结构。因此，我们介绍一个类似标准的神经网络架构的新系列，但是输入数据在向量上乘法作用。由较小的算子出现在边界控制中的紧凑型操作员和波动方程的反边值问题分析，我们在网络中的选择权重矩阵中促进结构和稀疏性。在描述此架构后，我们研究其表示属性以及其近似属性。我们还表明，可以引入明确的正则化，其可以从所述逆问题的数学分析导出，并导致概括属性上的某些保证。我们观察到重量矩阵的稀疏性改善了概括估计。最后，我们讨论如何将运营商复发网络视为深度学习模拟，以确定诸如用于从边界测量的声波方程中重建所未知的WAVESTED的边界控制的算法算法。

量子哈密顿学习和量子吉布斯采样的双重任务与物理和化学中的许多重要问题有关。在低温方案中，这些任务的算法通常会遭受施状能力，例如因样本或时间复杂性差而遭受。为了解决此类韧性，我们将量子自然梯度下降的概括引入了参数化的混合状态，并提供了稳健的一阶近似算法，即量子 - 固定镜下降。我们使用信息几何学和量子计量学的工具证明了双重任务的数据样本效率，因此首次将经典Fisher效率的开创性结果推广到变异量子算法。我们的方法扩展了以前样品有效的技术，以允许模型选择的灵活性，包括基于量子汉密尔顿的量子模型，包括基于量子的模型，这些模型可能会规避棘手的时间复杂性。我们的一阶算法是使用经典镜下降二元性的新型量子概括得出的。两种结果都需要特殊的度量选择，即Bogoliubov-Kubo-Mori度量。为了从数值上测试我们提出的算法，我们将它们的性能与现有基准进行了关于横向场ISING模型的量子Gibbs采样任务的现有基准。最后，我们提出了一种初始化策略，利用几何局部性来建模状态的序列（例如量子 - 故事过程）的序列。我们从经验上证明了它在实际和想象的时间演化的经验上，同时定义了更广泛的潜在应用。

Neural networks are known to be a class of highly expressive functions able to fit even random inputoutput mappings with 100% accuracy. In this work we present properties of neural networks that complement this aspect of expressivity. By using tools from Fourier analysis, we highlight a learning bias of deep networks towards low frequency functions -i.e. functions that vary globally without local fluctuations -which manifests itself as a frequency-dependent learning speed. Intuitively, this property is in line with the observation that over-parameterized networks prioritize learning simple patterns that generalize across data samples. We also investigate the role of the shape of the data manifold by presenting empirical and theoretical evidence that, somewhat counter-intuitively, learning higher frequencies gets easier with increasing manifold complexity.

在本文中，我们研究了在深网（DNS）中修剪的重要性，以及（1）修剪高度参数的DNS之间的Yin＆Yang关系，这些DNS已从随机初始化训练，并且（2）培训“巧妙”的小型DNS，这些DNS已“巧妙”。初始化。在大多数情况下，从业者只能诉诸随机初始化，因此强烈需要对DN修剪建立扎实的理解。当前的文献在很大程度上仍然是经验的，缺乏对修剪如何影响DNS决策边界，如何解释修剪以及如何设计相应的原则修剪技术的理论理解。为了解决这些问题，我们建议在连续分段仿射（CPA）DNS的理论分析中采用最新进展。从这个角度来看，我们将能够检测到早期的鸟类（EB）票务现象，为当前的修剪技术提供可解释性，并制定有原则的修剪策略。在研究的每个步骤中，我们进行了广泛的实验，以支持我们的主张和结果；尽管我们的主要目标是增强对DN修剪的当前理解，而不是开发一种新的修剪方法，但我们的样条修剪标准在层和全球修剪方面与先进的修剪方法相当甚至超过了。

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.

我们研究了张量张量的回归，其中的目标是将张量的响应与张量协变量与塔克等级参数张量/矩阵连接起来，而没有其内在等级的先验知识。我们提出了Riemannian梯度下降（RGD）和Riemannian Gauss-Newton（RGN）方法，并通过研究等级过度参数化的影响来应对未知等级的挑战。我们通过表明RGD和RGN分别线性地和四边形地收敛到两个等级的统计最佳估计值，从而为一般的张量调节回归提供了第一个收敛保证。我们的理论揭示了一种有趣的现象：Riemannian优化方法自然地适应了过度参数化，而无需修改其实施。我们还为低度多项式框架下的标量调整回归中的统计计算差距提供了第一个严格的证据。我们的理论证明了``统计计算差距的祝福''现象：在张张量的张量回归中，对于三个或更高的张紧器，在张张量的张量回归中，计算所需的样本量与中等级别相匹配的计算量相匹配。在考虑计算可行的估计器时，虽然矩阵设置没有此类好处。这表明中等等级的过度参数化本质上是``在张量调整的样本量三分或更高的样本大小上，三分或更高的样本量。最后，我们进行仿真研究以显示我们提出的方法的优势并证实我们的理论发现。

We study the expressibility and learnability of convex optimization solution functions and their multi-layer architectural extension. The main results are: \emph{(1)} the class of solution functions of linear programming (LP) and quadratic programming (QP) is a universal approximant for the $C^k$ smooth model class or some restricted Sobolev space, and we characterize the rate-distortion, \emph{(2)} the approximation power is investigated through a viewpoint of regression error, where information about the target function is provided in terms of data observations, \emph{(3)} compositionality in the form of a deep architecture with optimization as a layer is shown to reconstruct some basic functions used in numerical analysis without error, which implies that \emph{(4)} a substantial reduction in rate-distortion can be achieved with a universal network architecture, and \emph{(5)} we discuss the statistical bounds of empirical covering numbers for LP/QP, as well as a generic optimization problem (possibly nonconvex) by exploiting tame geometry. Our results provide the \emph{first rigorous analysis of the approximation and learning-theoretic properties of solution functions} with implications for algorithmic design and performance guarantees.

神经网络的经典发展主要集中在有限维欧基德空间或有限组之间的学习映射。我们提出了神经网络的概括，以学习映射无限尺寸函数空间之间的运算符。我们通过一类线性积分运算符和非线性激活函数的组成制定运营商的近似，使得组合的操作员可以近似复杂的非线性运算符。我们证明了我们建筑的普遍近似定理。此外，我们介绍了四类运算符参数化：基于图形的运算符，低秩运算符，基于多极图形的运算符和傅里叶运算符，并描述了每个用于用每个计算的高效算法。所提出的神经运营商是决议不变的：它们在底层函数空间的不同离散化之间共享相同的网络参数，并且可以用于零击超分辨率。在数值上，与现有的基于机器学习的方法，达西流程和Navier-Stokes方程相比，所提出的模型显示出卓越的性能，而与传统的PDE求解器相比，与现有的基于机器学习的方法有关的基于机器学习的方法。

我们引入了一个神经隐式框架，该框架利用神经网络的可区分特性和点采样表面的离散几何形状，以将它们作为神经隐含函数的级别集近似。为了训练神经隐式函数，我们提出了近似签名距离函数的损失功能，并允许具有高阶导数的术语，例如曲率的主要方向之间的对齐方式，以了解更多几何细节。在训练过程中，我们考虑了基于点采样表面的曲率的不均匀采样策略，以优先考虑点更多的几何细节。与以前的方法相比，这种抽样意味着在保持几何准确性的同时更快地学习。我们还介绍了神经表面（例如正常矢量和曲率）的分析差异几何公式。

一类非平滑实践优化问题可以写成，以最大程度地减少平滑且部分平滑的功能。我们考虑了这种结构化问题，这些问题也取决于参数矢量，并研究了将其解决方案映射相对于参数的问题，该参数在灵敏度分析和参数学习选择材料问题中具有很大的应用。我们表明，在部分平滑度和其他温和假设下，近端分裂算法产生的序列的自动分化（AD）会收敛于溶液映射的衍生物。对于一种自动分化的变体，我们称定点自动分化（FPAD），我们纠正了反向模式AD的内存开销问题，此外，理论上提供了更快的收敛。我们从数值上说明了套索和组套索问题的AD和FPAD的收敛性和收敛速率，并通过学习正则化项来证明FPAD在原型实用图像deoise问题上的工作。

现有的等分性神经网络需要先前了解对称组和连续组的离散化。我们建议使用Lie代数（无限发电机）而不是谎言群体。我们的模型，Lie代数卷积网络（L-Chir）可以自动发现对称性，并不需要该组的离散化。我们展示L-CONC可以作为构建任何组的建筑块，以构建任何组的馈电架构。CNN和图表卷积网络都可以用适当的组表示为L-DIV。我们发现L-CONC和物理学之间的直接连接：（1）组不变损失概括场理论（2）欧拉拉格朗法令方程测量鲁棒性，（3）稳定性导致保护法和挪威尔特。这些连接开辟了新的途径用于设计更多普遍等级的网络并将其应用于物理科学中的重要问题

地震数据处理在很大程度上取决于物理驱动的反问题的解决方案。在存在不利的数据采集条件下（例如，源和/或接收器的规则或不规则的粗略采样），基本的反问题变得非常不适，需要先进的信息才能获得令人满意的解决方案。刺激性反演，再加上固定基础的稀疏转换，代表了许多处理任务的首选方法，因为其实施简单性并在各种采集方案中都成功地应用了成功应用。利用深神经网络找到复杂的多维矢量空间的紧凑表示的能力，我们建议训练自动编码器网络，以了解输入地震数据和代表性潜流歧管之间的直接映射。随后，训练有素的解码器被用作手头物理驱动的逆问题的非线性预处理。提供了各种地震处理任务的合成数据和现场数据，并且所提出的非线性，学习的转换被证明超过了固定基本的转换，并更快地收敛到所寻求的解决方案。

指数族在机器学习中广泛使用，包括连续和离散域中的许多分布（例如，通过SoftMax变换，Gaussian，Dirichlet，Poisson和分类分布）。这些家庭中的每个家庭的分布都有固定的支持。相比之下，对于有限域而言，最近在SoftMax稀疏替代方案（例如Sparsemax，$ \ alpha $ -entmax和Fusedmax）的稀疏替代方案中导致了带有不同支持的分布。本文基于几种技术贡献，开发了连续分布的稀疏替代方案：首先，我们定义了$ \ omega $ regultion的预测图和任意域的Fenchel-young损失（可能是无限或连续的）。对于线性参数化的家族，我们表明，Fenchel-Young损失的最小化等效于统计的矩匹配，从而概括了指数家族的基本特性。当$ \ omega $是带有参数$ \ alpha $的Tsallis negentropy时，我们将获得````trabormed rompential指数）''，其中包括$ \ alpha $ -entmax和sparsemax和sparsemax（$ \ alpha = 2 $）。对于二次能量函数，产生的密度为$ \ beta $ -Gaussians，椭圆形分布的实例，其中包含特殊情况，即高斯，双重量级，三人级和epanechnikov密度，我们为差异而得出了差异的封闭式表达式， Tsallis熵和Fenchel-Young损失。当$ \ Omega $是总变化或Sobolev正常化程序时，我们将获得Fusedmax的连续版本。最后，我们引入了连续的注意机制，从\ {1、4/3、3/3、3/2、2 \} $中得出有效的梯度反向传播算法。使用这些算法，我们证明了我们的稀疏连续分布，用于基于注意力的音频分类和视觉问题回答，表明它们允许参加时间间隔和紧凑区域。