Mixup is a popular data augmentation technique for training deep neural networks where additional samples are generated by linearly interpolating pairs of inputs and their labels. This technique is known to improve the generalization performance in many learning paradigms and applications. In this work, we first analyze Mixup and show that it implicitly regularizes infinitely many directional derivatives of all orders. We then propose a new method to improve Mixup based on the novel insight. To demonstrate the effectiveness of the proposed method, we conduct experiments across various domains such as images, tabular data, speech, and graphs. Our results show that the proposed method improves Mixup across various datasets using a variety of architectures, for instance, exhibiting an improvement over Mixup by 0.8% in ImageNet top-1 accuracy.

Large deep neural networks are powerful, but exhibit undesirable behaviors such as memorization and sensitivity to adversarial examples. In this work, we propose mixup, a simple learning principle to alleviate these issues. In essence, mixup trains a neural network on convex combinations of pairs of examples and their labels. By doing so, mixup regularizes the neural network to favor simple linear behavior in-between training examples. Our experiments on the ImageNet-2012, CIFAR-10, CIFAR-100, Google commands and UCI datasets show that mixup improves the generalization of state-of-the-art neural network architectures. We also find that mixup reduces the memorization of corrupt labels, increases the robustness to adversarial examples, and stabilizes the training of generative adversarial networks.

Deep neural networks excel at learning the training data, but often provide incorrect and confident predictions when evaluated on slightly different test examples. This includes distribution shifts, outliers, and adversarial examples. To address these issues, we propose Manifold Mixup, a simple regularizer that encourages neural networks to predict less confidently on interpolations of hidden representations. Manifold Mixup leverages semantic interpolations as additional training signal, obtaining neural networks with smoother decision boundaries at multiple levels of representation. As a result, neural networks trained with Manifold Mixup learn class-representations with fewer directions of variance. We prove theory on why this flattening happens under ideal conditions, validate it on practical situations, and connect it to previous works on information theory and generalization. In spite of incurring no significant computation and being implemented in a few lines of code, Manifold Mixup improves strong baselines in supervised learning, robustness to single-step adversarial attacks, and test log-likelihood.

我们介绍了嘈杂的特征混音（NFM），这是一个廉价但有效的数据增强方法，这些方法结合了基于插值的训练和噪声注入方案。不是用凸面的示例和它们的标签的凸面组合训练，而不是在输入和特征空间中使用对数据点对的噪声扰动凸组合。该方法包括混合和歧管混合作为特殊情况，但它具有额外的优点，包括更好地平滑决策边界并实现改进的模型鲁棒性。我们提供理论要理解这一点以及NFM的隐式正则化效果。与混合和歧管混合相比，我们的理论得到了经验结果的支持，展示了NFM的优势。我们表明，在一系列计算机视觉基准数据集中，使用NFM培训的剩余网络和视觉变压器在清洁数据的预测准确性和鲁棒性之间具有有利的权衡。

我们提出了混合样品数据增强（MSDA）的第一个统一的理论分析，例如混合和cutmix。我们的理论结果表明，无论选择混合策略如何，MSDA都表现为基础训练损失的像素级正规化和第一层参数的正则化。同样，我们的理论结果支持MSDA培训策略可以改善与香草训练策略相比的对抗性鲁棒性和泛化。利用理论结果，我们对MSDA的不同设计选择的工作方式提供了高级了解。例如，我们表明，最流行的MSDA方法，混合和cutmix的表现不同，例如，CutMix通过像素距离正规化输入梯度，而混合量则使输入梯度正常于像素距离。我们的理论结果还表明，最佳MSDA策略取决于任务，数据集或模型参数。从这些观察结果中，我们提出了广义MSDA，这是混合版的混合和Cutmix（HMIX）和Gaussian Mixup（GMIX），简单的混合和CutMix。我们的实施可以利用混合和cutmix的优势，而我们的实施非常有效，并且计算成本几乎可以忽略为混合和cutmix。我们的实证研究表明，我们的HMIX和GMIX优于CIFAR-100和Imagenet分类任务中先前最先进的MSDA方法。源代码可从https://github.com/naver-ai/hmix-gmix获得

In today's heavily overparameterized models, the value of the training loss provides few guarantees on model generalization ability. Indeed, optimizing only the training loss value, as is commonly done, can easily lead to suboptimal model quality. Motivated by prior work connecting the geometry of the loss landscape and generalization, we introduce a novel, effective procedure for instead simultaneously minimizing loss value and loss sharpness. In particular, our procedure, Sharpness-Aware Minimization (SAM), seeks parameters that lie in neighborhoods having uniformly low loss; this formulation results in a minmax optimization problem on which gradient descent can be performed efficiently. We present empirical results showing that SAM improves model generalization across a variety of benchmark datasets (e.g., CIFAR-{10, 100}, Ima-geNet, finetuning tasks) and models, yielding novel state-of-the-art performance for several. Additionally, we find that SAM natively provides robustness to label noise on par with that provided by state-of-the-art procedures that specifically target learning with noisy labels. We open source our code at https: //github.com/google-research/sam. * Work done as part of the Google AI Residency program.

对抗性的鲁棒性已经成为深度学习的核心目标，无论是在理论和实践中。然而，成功的方法来改善对抗的鲁棒性（如逆势训练）在不受干扰的数据上大大伤害了泛化性能。这可能会对对抗性鲁棒性如何影响现实世界系统的影响（即，如果它可以提高未受干扰的数据的准确性），许多人可能选择放弃鲁棒性）。我们提出内插对抗培训，该培训最近雇用了在对抗培训框架内基于插值的基于插值的培训方法。在CiFar -10上，对抗性训练增加了标准测试错误（当没有对手时）从4.43％到12.32％，而我们的内插对抗培训我们保留了对抗性的鲁棒性，同时实现了仅6.45％的标准测试误差。通过我们的技术，强大模型标准误差的相对增加从178.1％降至仅为45.5％。此外，我们提供内插对抗性培训的数学分析，以确认其效率，并在鲁棒性和泛化方面展示其优势。

混合是一种数据增强方法，通过混合一对输入数据来生成新数据点。虽然混合通常会改善预测性能，但它有时会降低性能。在本文中，我们首先通过理论上和经验分析混合算法来确定这种现象的主要原因。要解决此问题，我们提出了一种简单但有效的重定标记算法，专为混合而提出了Genlabel。特别是，GenLabel通过使用生成模型学习类条件数据分布，帮助混合算法正确标记混合样本。通过广泛的理论和实证分析，我们表明混合，当与Genlabel一起使用时，可以有效地解决上述现象，从而提高泛化性能和对抗鲁棒性。

我们表明，著名的混音的有效性[Zhang等，2018]，如果而不是将其用作唯一的学习目标，就可以进一步改善它，而是将其用作标准跨侧面损失的附加规则器。这种简单的变化不仅提供了太大的准确性，而且在大多数情况下，在各种形式的协变量转移和分布外检测实验下，在大多数情况下，混合量的预测不确定性估计质量都显着提高了。实际上，我们观察到混合物在检测出分布样本时可能会产生大量退化的性能，因为我们在经验上表现出来，因为它倾向于学习在整个过程中表现出高渗透率的模型。很难区分分布样本与近分离样本。为了显示我们的方法的功效（RegMixup），我们在视觉数据集（Imagenet＆Cifar-10/100）上提供了详尽的分析和实验，并将其与最新方法进行比较，以进行可靠的不确定性估计。

几个数据增强方法部署了未标记的分配（UID）数据，以弥合神经网络的培训和推理之间的差距。然而，这些方法在UID数据的可用性方面具有明确的限制和伪标签上的算法的依赖性。在此，我们提出了一种数据增强方法，通过使用缺乏上述问题的分发（OOD）数据来改善对抗和标准学习的泛化。我们展示了如何在理论上使用每个学习场景中的数据来改进泛化，并通过Cifar-10，CiFar-100和ImageNet的子集进行化学理论分析。结果表明，即使在似乎与人类角度几乎没有相关的图像数据中也是不希望的特征。我们还通过与其他数据增强方法进行比较，介绍了所提出的方法的优点，这些方法可以在没有UID数据的情况下使用。此外，我们证明该方法可以进一步改善现有的最先进的对抗培训。

深度神经网络易于对自然投入的离前事实制作，小而难以察觉的变化影响。对这些实例的最有效的防御机制是对逆脉训练在训练期间通过迭代最大化的损失来构建对抗性实例。然后训练该模型以最小化这些构建的实施例的损失。此最小最大优化需要更多数据，更大的容量模型和额外的计算资源。它还降低了模型的标准泛化性能。我们可以更有效地实现鲁棒性吗？在这项工作中，我们从知识转移的角度探讨了这个问题。首先，我们理论上展示了在混合增强的帮助下将鲁棒性从对接地训练的教师模型到学生模型的可转换性。其次，我们提出了一种新颖的鲁棒性转移方法，称为基于混合的激活信道图（MixacM）转移。 MixacM通过匹配未在没有昂贵的对抗扰动的匹配生成的激活频道地图将强大的教师转移到学生的鲁棒性。最后，对多个数据集的广泛实验和不同的学习情景显示我们的方法可以转移鲁棒性，同时还改善自然图像的概括。

作为标签噪声，最受欢迎的分布变化之一，严重降低了深度神经网络的概括性能，具有嘈杂标签的强大训练正在成为现代深度学习中的重要任务。在本文中，我们提出了我们的框架，在子分类器（ALASCA）上创造了自适应标签平滑，该框架提供了具有理论保证和可忽略的其他计算的可靠特征提取器。首先，我们得出标签平滑（LS）会产生隐式Lipschitz正则化（LR）。此外，基于这些推导，我们将自适应LS（ALS）应用于子分类器架构上，以在中间层上的自适应LR的实际应用。我们对ALASCA进行了广泛的实验，并将其与以前的几个数据集上的噪声燃烧方法相结合，并显示我们的框架始终优于相应的基线。

在许多机器学习应用中，对于模型而言，提供置信分数以准确捕获其预测不确定性非常重要。尽管现代学习方法在预测准确性方面取得了巨大的成功，但产生校准的置信度得分仍然是一个重大挑战。基于采用凸面的培训示例组合的一种流行而简单的数据增强技术，已被经验发现可显着改善各种应用程序之间的置信度校准。但是，混音何时以及如何帮助校准仍然是一个谜。在本文中，我们从理论上证明，混合通过研究自然统计模型来改善\ textit {高维}设置中的校准。有趣的是，随着模型容量的增加，混合的校准益处会增加。我们通过对共同体系结构和数据集的实验来支持我们的理论。此外，我们研究混合如何改善半监督学习的校准。在合并未标记的数据的同时，有时可以使模型降低校准，从而增加混合训练可以减轻此问题并证明可以改善校准。我们的分析提供了新的见解和一个框架，以了解混合和校准。

Semi-supervised learning has proven to be a powerful paradigm for leveraging unlabeled data to mitigate the reliance on large labeled datasets. In this work, we unify the current dominant approaches for semi-supervised learning to produce a new algorithm, MixMatch, that guesses low-entropy labels for data-augmented unlabeled examples and mixes labeled and unlabeled data using MixUp. MixMatch obtains state-of-the-art results by a large margin across many datasets and labeled data amounts. For example, on CIFAR-10 with 250 labels, we reduce error rate by a factor of 4 (from 38% to 11%) and by a factor of 2 on STL-10. We also demonstrate how MixMatch can help achieve a dramatically better accuracy-privacy trade-off for differential privacy. Finally, we perform an ablation study to tease apart which components of MixMatch are most important for its success. We release all code used in our experiments. 1

混合是一种数据相关的正则化技术，其包括线性内插输入样本和相关输出。它已被证明在用于培训标准机器学习数据集时提高准确性。然而，作者已经指出，混合可以在增强训练集中产生分配的虚拟样本，甚至是矛盾，可能导致对抗效应。在本文中，我们介绍了当地混合，其中在计算损失时加权远处输入样本。在约束的环境中，我们证明了本地混合可以在偏差和方差之间产生权衡，极端情况降低了香草培训和古典混合。使用标准化的计算机视觉基准测试，我们还表明本地混合可以提高测试精度。

少数族裔类的数据增强是长尾识别的有效策略，因此开发了大量方法。尽管这些方法都确保了样本数量的平衡，但是增强样品的质量并不总是令人满意的，识别且容易出现过度拟合，缺乏多样性，语义漂移等问题。对于这些问题，我们建议班级感知的大学启发了重新平衡学习（CAUIRR），以进行长尾识别，这使Universum具有班级感知的能力，可以从样本数量和质量中重新平衡个人少数族裔。特别是，我们从理论上证明，凯尔学到的分类器与从贝叶斯的角度从平衡状态下学到的那些人一致。此外，我们进一步开发了一种高阶混合方法，该方法可以自动生成类感知的Universum（CAU）数据，而无需诉诸任何外部数据。与传统的大学不同，此类产生的全球还考虑了域的相似性，阶级可分离性和样本多样性。基准数据集的广泛实验证明了我们方法的令人惊讶的优势，尤其是与最先进的方法相比，少数族裔类别的TOP1准确性提高了1.9％6％。

人们对从长尾班级分布中学习的具有挑战性的视觉感知任务越来越兴趣。训练数据集中的极端类失衡使模型偏向于识别多数级数据而不是少数级数据。最近，已经提出了两个分支网络的双分支网络（DBN）框架。传统的分支和重新平衡分支用于提高长尾视觉识别的准确性。重新平衡分支使用反向采样器来生成类平衡的训练样本，以减轻由于类不平衡而减轻偏见。尽管该策略在处理偏见方面非常成功，但使用反向采样器进行培训可以降低表示形式的学习绩效。为了减轻这个问题，常规方法使用了精心设计的累积学习策略，在整个培训阶段，重新平衡分支的影响逐渐增加。在这项研究中，我们旨在开发一种简单而有效的方法，以不需要优化的累积学习而在不累积学习的情况下提高DBN的性能。我们设计了一种称为双边混合增强的简单数据增强方法，该方法将统一采样器中的一个样品与反向采样器中的另一个样品结合在一起，以产生训练样本。此外，我们介绍了阶级条件的温度缩放，从而减轻对拟议的DBN结构的多数级别的偏见。我们对广泛使用的长尾视觉识别数据集进行的实验表明，双边混合增加在改善DBN的表示性能方面非常有效，并且所提出的方法可以实现某些类别的先进绩效。

我们考虑采用转移学习方法，可以在目标任务上微调一个预处理的深神经网络。我们研究微调的概括特性，以了解过度拟合的问题，而这种问题通常在实践中发生。先前的工作表明，约束与微调初始化的距离可改善概括。使用Pac-bayesian分析，我们观察到，除了初始化的距离外，黑森人还通过深神网络的噪声稳定性影响噪声注射。在观察过程中，我们为广泛的微调方法开发了基于HESSIAN距离的概括界。此外，我们研究了在嘈杂标签的情况下进行微调的鲁棒性。在我们的理论中，我们设计了一种算法，该算法结合了一致的损失和基于距离的正则化，以进行微调，以及在训练集标签中有条件独立噪声下的概括错误保证。我们对各种嘈杂的环境和体系结构进行了详细的经验研究。在六个图像分类任务上，其训练标签是通过编程标签生成的，我们发现比先前的微调方法的精度增长了3.26％。同时，微型模型的Hessian距离度量降低了六倍，是现有方法的六倍。

尽管对视觉识别任务进行了显着进展，但是当培训数据稀缺或高度不平衡时，深神经网络仍然易于普遍，使他们非常容易受到现实世界的例子。在本文中，我们提出了一种令人惊讶的简单且高效的方法来缓解此限制：使用纯噪声图像作为额外的训练数据。与常见使用添加剂噪声或对抗数据的噪声不同，我们通过直接训练纯无随机噪声图像提出了完全不同的视角。我们提出了一种新的分发感知路由批量归一化层（DAR-BN），除了同一网络内的自然图像之外，还可以在纯噪声图像上训练。这鼓励泛化和抑制过度装备。我们所提出的方法显着提高了不平衡的分类性能，从而获得了最先进的导致大量的长尾图像分类数据集（Cifar-10-LT，CiFar-100-LT，想象齿 - LT，和celeba-5）。此外，我们的方法非常简单且易于使用作为一般的新增强工具（在现有增强的顶部），并且可以在任何训练方案中结合。它不需要任何专门的数据生成或培训程序，从而保持培训快速高效

Model calibration, which is concerned with how frequently the model predicts correctly, not only plays a vital part in statistical model design, but also has substantial practical applications, such as optimal decision-making in the real world. However, it has been discovered that modern deep neural networks are generally poorly calibrated due to the overestimation (or underestimation) of predictive confidence, which is closely related to overfitting. In this paper, we propose Annealing Double-Head, a simple-to-implement but highly effective architecture for calibrating the DNN during training. To be precise, we construct an additional calibration head-a shallow neural network that typically has one latent layer-on top of the last latent layer in the normal model to map the logits to the aligned confidence. Furthermore, a simple Annealing technique that dynamically scales the logits by calibration head in training procedure is developed to improve its performance. Under both the in-distribution and distributional shift circumstances, we exhaustively evaluate our Annealing Double-Head architecture on multiple pairs of contemporary DNN architectures and vision and speech datasets. We demonstrate that our method achieves state-of-the-art model calibration performance without post-processing while simultaneously providing comparable predictive accuracy in comparison to other recently proposed calibration methods on a range of learning tasks.