本文通过数学形态的代数基础，分析了深卷积神经网络（DCNN）的非线性激活函数和空间最大化。此外，通过在形态代表的背景下考虑最大 - 释放和非线性算子，提出了一般的激活功能家族。实验部分验证了我们在经典基准测试中的方法，用于DCNN的监督学习。

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。

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。

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。

本文开发了简单的前馈神经网络，实现了所有连续功能的通用近似性，具有固定的有限数量的神经元。这些神经网络很简单，因为它们的设计具有简单且可增加的连续激活功能$ \ Sigma $利用三角波函数和软片功能。我们证明了$ \ Sigma $ -Activated网络，宽度为36d $ 36d（2d + 1）$和11 $ 11 $可以在任意小错误中估计$ d $ -dimensioanl超级函数上的任何连续功能。因此，对于监督学习及其相关的回归问题，这些网络产生的假设空间，尺寸不小于36d（2d + 1）\ times 11 $的持续功能的空间。此外，由图像和信号分类引起的分类函数在$ \ sigma $ -activated网络生成的假设空间中，宽度为36d（2d + 1）$和12 $ 12 $，当存在$ \的成对不相交的界限子集时mathbb {r} ^ d $，使得同一类的样本位于同一子集中。

许多前馈神经网络会产生连续和分段线性（CPWL）映射。具体而言，它们将输入域分配给映射为仿射函数的区域。这些所谓的线性区域的数量提供了自然度量标准，可以表征CPWL映射的表现力。尽管该数量的精确确定通常是无法触及的，但已经针对包括众所周知的Relu和Maxout网络提出了界限。在这项工作中，我们提出了一个更一般的观点，并基于三种表达能力来源：深度，宽度和激活复杂性，就CPWL网络的最大线性区域数量提供精确的界限。我们的估计依赖于凸形分区的组合结构，并突出了深度的独特作用，该作用本身能够呈指数级增加区域数量。然后，我们引入了一个互补的随机框架，以估计CPWL网络体系结构产生的线性区域的平均数量。在合理的假设下，沿任何一维路径的线性区域的预期密度都受深度，宽度和激活复杂度度量（最高缩放系数）的量的限制。这对三种表达能力产生了相同的作用：不再观察到深度的指数增长。

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。

最近的实证工作表明，由卷积神经网络（CNNS）启发的分层卷积核（CNNS）显着提高了内核方法​​在图像分类任务中的性能。对这些架构成功的广泛解释是它们编码适合自然图像的假设类。然而，了解卷积架构中近似和泛化之间的精确相互作用仍然是一个挑战。在本文中，我们考虑均匀分布在超立方体上的协变量（图像像素）的程式化设置，并完全表征由单层卷积，汇集和下采样操作组成的内核的RKH。然后，我们使用这些内核通过标准内部产品内核来研究内核方法的样本效率的增益。特别是，我们展示了1）卷积层通过将RKHS限制为“本地”功能来打破维度的诅咒; 2）局部汇集偏置朝向低频功能，这是较小的翻译稳定; 3）下采样可以修改高频成粒空间，但留下了大致不变的低频部分。值得注意的是，我们的结果量化了选择适应目标函数的架构如何导致样本复杂性的大量改善。

These notes were compiled as lecture notes for a course developed and taught at the University of the Southern California. They should be accessible to a typical engineering graduate student with a strong background in Applied Mathematics. The main objective of these notes is to introduce a student who is familiar with concepts in linear algebra and partial differential equations to select topics in deep learning. These lecture notes exploit the strong connections between deep learning algorithms and the more conventional techniques of computational physics to achieve two goals. First, they use concepts from computational physics to develop an understanding of deep learning algorithms. Not surprisingly, many concepts in deep learning can be connected to similar concepts in computational physics, and one can utilize this connection to better understand these algorithms. Second, several novel deep learning algorithms can be used to solve challenging problems in computational physics. Thus, they offer someone who is interested in modeling a physical phenomena with a complementary set of tools.

Several problems in stochastic analysis are defined through their geometry, and preserving that geometric structure is essential to generating meaningful predictions. Nevertheless, how to design principled deep learning (DL) models capable of encoding these geometric structures remains largely unknown. We address this open problem by introducing a universal causal geometric DL framework in which the user specifies a suitable pair of geometries $\mathscr{X}$ and $\mathscr{Y}$ and our framework returns a DL model capable of causally approximating any ``regular'' map sending time series in $\mathscr{X}^{\mathbb{Z}}$ to time series in $\mathscr{Y}^{\mathbb{Z}}$ while respecting their forward flow of information throughout time. Suitable geometries on $\mathscr{Y}$ include various (adapted) Wasserstein spaces arising in optimal stopping problems, a variety of statistical manifolds describing the conditional distribution of continuous-time finite state Markov chains, and all Fr\'echet spaces admitting a Schauder basis, e.g. as in classical finance. Suitable, $\mathscr{X}$ are any compact subset of any Euclidean space. Our results all quantitatively express the number of parameters needed for our DL model to achieve a given approximation error as a function of the target map's regularity and the geometric structure both of $\mathscr{X}$ and of $\mathscr{Y}$. Even when omitting any temporal structure, our universal approximation theorems are the first guarantees that H\"older functions, defined between such $\mathscr{X}$ and $\mathscr{Y}$ can be approximated by DL models.

我们有助于更好地理解由具有Relu激活和给定架构的神经网络表示的功能。使用来自混合整数优化，多面体理论和热带几何的技术，我们为普遍近似定理提供了数学逆向，这表明单个隐藏层足以用于学习任务。特别是，我们调查完全可增值功能是否完全可以通过添加更多层（没有限制大小）来严格增加。由于它为神经假设类别代表的函数类提供给算法和统计方面，这个问题对算法和统计方面具有潜在的影响。然而，据我们所知，这个问题尚未在神经网络文学中调查。我们还在这些神经假设类别中代表功能所需的神经网络的大小上存在上限。

大多数随机梯度下降算法可以优化在其参数中的子微分内的神经网络;然而，这意味着神经网络的激活函数必须表现出一定程度的连续性，这将神经网络模型的均匀近似容量限制为连续功能。本文重点介绍不连续性从不同的子模式产生的情况，每个子模式都在输入空间的不同部分上定义。我们提出了一种新的不连续的深度神经网络模型，通过解耦的两步过程培训，避免通过网络的唯一和战略放置的不连续单元通过梯度更新。我们为我们在我们在此介绍的分段连续功能的空间中提供了近似的宽度保证。我们为我们的结构量身定制了一部小型半监督两步培训程序，为其结构量身定制，我们为其有效性提供了理论支持。我们的模型和提议程序培训的性能在实验上在实际的金融数据集和合成数据集上进行了实验评估。

数据保真项和加性正则化功能的最小化为监督学习带来了强大的框架。在本文中，我们提出了一个统一的正则功能，该功能取决于操作员和通用的ra域标准。我们确定了最小化器的存在，并在非常温和的假设下给出了溶液的参数形式。当规范是希尔伯特人时，提出的配方会产生涉及径向基础功能的解决方案，并且与机器学习的经典方法兼容。相比之下，对于总差异规范，解决方案采用具有正则化运算符确定的激活函数的两层神经网络的形式。特别是，我们通过让操作员成为拉普拉斯（Laplacian）来检索流行的Relu网络。我们还表征了中间正规化规范的解决方案$ \ | \ cdot \ | = \ | \ | \ cdot \ | _ {l_p} $ at（1,2] $。我们的框架提供了保证通用近似值的保证广泛的正规化操作员家庭或等同于各种浅层神经网络，包括激活函数在多项式上增加的病例（例如Relu）。它还解释了偏见和跳过连接在神经建筑中的有利作用。

We generalize the classical universal approximation theorem for neural networks to the case of complex-valued neural networks. Precisely, we consider feedforward networks with a complex activation function $\sigma : \mathbb{C} \to \mathbb{C}$ in which each neuron performs the operation $\mathbb{C}^N \to \mathbb{C}, z \mapsto \sigma(b + w^T z)$ with weights $w \in \mathbb{C}^N$ and a bias $b \in \mathbb{C}$, and with $\sigma$ applied componentwise. We completely characterize those activation functions $\sigma$ for which the associated complex networks have the universal approximation property, meaning that they can uniformly approximate any continuous function on any compact subset of $\mathbb{C}^d$ arbitrarily well. Unlike the classical case of real networks, the set of "good activation functions" which give rise to networks with the universal approximation property differs significantly depending on whether one considers deep networks or shallow networks: For deep networks with at least two hidden layers, the universal approximation property holds as long as $\sigma$ is neither a polynomial, a holomorphic function, or an antiholomorphic function. Shallow networks, on the other hand, are universal if and only if the real part or the imaginary part of $\sigma$ is not a polyharmonic function.

作为一种强大的建模方法，分段线性神经网络（PWLNNS）已在各个领域都被证明是成功的，最近在深度学习中。为了应用PWLNN方法，长期以来一直研究了表示和学习。 1977年，规范表示率先通过增量设计学到了浅层PWLNN的作品，但禁止使用大规模数据的应用。 2010年，纠正的线性单元（RELU）提倡在深度学习中PWLNN的患病率。从那以后，PWLNNS已成功地应用于广泛的任务并实现了有利的表现。在本引物中，我们通过将作品分组为浅网络和深层网络来系统地介绍PWLNNS的方法。首先，不同的PWLNN表示模型是由详细示例构建的。使用PWLNNS，提出了学习数据的学习算法的演变，并且基本理论分析遵循深入的理解。然后，将代表性应用与讨论和前景一起引入。

On general regular simplicial partitions $\mathcal{T}$ of bounded polytopal domains $\Omega \subset \mathbb{R}^d$, $d\in\{2,3\}$, we construct \emph{exact neural network (NN) emulations} of all lowest order finite element spaces in the discrete de Rham complex. These include the spaces of piecewise constant functions, continuous piecewise linear (CPwL) functions, the classical ``Raviart-Thomas element'', and the ``N\'{e}d\'{e}lec edge element''. For all but the CPwL case, our network architectures employ both ReLU (rectified linear unit) and BiSU (binary step unit) activations to capture discontinuities. In the important case of CPwL functions, we prove that it suffices to work with pure ReLU nets. Our construction and DNN architecture generalizes previous results in that no geometric restrictions on the regular simplicial partitions $\mathcal{T}$ of $\Omega$ are required for DNN emulation. In addition, for CPwL functions our DNN construction is valid in any dimension $d\geq 2$. Our ``FE-Nets'' are required in the variationally correct, structure-preserving approximation of boundary value problems of electromagnetism in nonconvex polyhedra $\Omega \subset \mathbb{R}^3$. They are thus an essential ingredient in the application of e.g., the methodology of ``physics-informed NNs'' or ``deep Ritz methods'' to electromagnetic field simulation via deep learning techniques. We indicate generalizations of our constructions to higher-order compatible spaces and other, non-compatible classes of discretizations, in particular the ``Crouzeix-Raviart'' elements and Hybridized, Higher Order (HHO) methods.

在这项工作中，我们通过整流电源单元激活功能导出浅神经网络的整体表示的公式。主要是，我们的第一件结果涉及REPU浅网络的非相似性表现能力。本文的多维结果表征了可以用有界规范和可能无界宽度表示的功能集。

我们推导了非负神经网络的固定点的存在条件，这是一个重要的研究目标，了解了涉及自动化器和循环展开技术的现代应用中神经网络的行为。特别是，我们表明，具有非负输入和非负参数的神经网络可以在非线性珀罗尼乌斯理论的框架内被识别为单调和（弱）可扩展的功能。这一事实使我们能够推导出存在非空白神经网络的非空的固定点集的条件，并且这些条件比最近使用凸分析中的参数获得的条件较弱，这通常是基于激活函数的非扩张性的假设。此外，我们证明了单调和弱可伸缩的神经网络的固定点集的形状通常是一个间隔，其为可伸缩网络的情况的点退化。本文的首席结果在数值模拟中验证，我们考虑了一种自动型型网络，首先将角度功率谱压缩在大规模的MIMO系统中，并且第二，从压缩信号重建输入光谱。

我们研究了深层神经网络的表达能力，以在扩张的转移不变空间中近似功能，这些空间被广泛用于信号处理，图像处理，通信等。相对于神经网络的宽度和深度估算了近似误差界限。网络构建基于深神经网络的位提取和数据拟合能力。作为我们主要结果的应用，获得了经典函数空间（例如Sobolev空间和BESOV空间）的近似速率。我们还给出了$ l^p（1 \ le p \ le \ infty）$近似误差的下限，这表明我们的神经网络的构建是渐近的最佳选择，即最大程度地达到对数因素。