Consider the multivariate nonparametric regression model. It is shown that estimators based on sparsely connected deep neural networks with ReLU activation function and properly chosen network architecture achieve the minimax rates of convergence (up to log nfactors) under a general composition assumption on the regression function. The framework includes many well-studied structural constraints such as (generalized) additive models. While there is a lot of flexibility in the network architecture, the tuning parameter is the sparsity of the network. Specifically, we consider large networks with number of potential network parameters exceeding the sample size. The analysis gives some insights into why multilayer feedforward neural networks perform well in practice. Interestingly, for ReLU activation function the depth (number of layers) of the neural network architectures plays an important role and our theory suggests that for nonparametric regression, scaling the network depth with the sample size is natural. It is also shown that under the composition assumption wavelet estimators can only achieve suboptimal rates.

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。

This paper investigates the stability of deep ReLU neural networks for nonparametric regression under the assumption that the noise has only a finite p-th moment. We unveil how the optimal rate of convergence depends on p, the degree of smoothness and the intrinsic dimension in a class of nonparametric regression functions with hierarchical composition structure when both the adaptive Huber loss and deep ReLU neural networks are used. This optimal rate of convergence cannot be obtained by the ordinary least squares but can be achieved by the Huber loss with a properly chosen parameter that adapts to the sample size, smoothness, and moment parameters. A concentration inequality for the adaptive Huber ReLU neural network estimators with allowable optimization errors is also derived. To establish a matching lower bound within the class of neural network estimators using the Huber loss, we employ a different strategy from the traditional route: constructing a deep ReLU network estimator that has a better empirical loss than the true function and the difference between these two functions furnishes a low bound. This step is related to the Huberization bias, yet more critically to the approximability of deep ReLU networks. As a result, we also contribute some new results on the approximation theory of deep ReLU neural networks.

古典统计学习理论表示，拟合太多参数导致过度舒服和性能差。尽管大量参数矛盾，但是现代深度神经网络概括了这一发现，并构成了解释深度学习成功的主要未解决的问题。随机梯度下降（SGD）引起的隐式正规被认为是重要的，但其特定原则仍然是未知的。在这项工作中，我们研究了当地最小值周围的能量景观的局部几何学如何影响SGD的统计特性，具有高斯梯度噪声。我们争辩说，在合理的假设下，局部几何形状力强制SGD保持接近低维子空间，这会引起隐式正则化并导致深神经网络的泛化误差界定更严格的界限。为了获得神经网络的泛化误差界限，我们首先引入局部最小值周围的停滞迹象，并施加人口风险的局部基本凸性财产。在这些条件下，推导出SGD的下界，以保留在这些停滞套件中。如果发生停滞，我们会导出涉及权重矩阵的光谱规范的深神经网络的泛化误差的界限，但不是网络参数的数量。从技术上讲，我们的证据基于控制SGD中的参数值的变化以及基于局部最小值周围的合适邻域的熵迭代的参数值和局部均匀收敛。我们的工作试图通过统一收敛更好地连接非凸优化和泛化分析。

对于高维和非参数统计模型，速率最优估计器平衡平方偏差和方差是一种常见的现象。虽然这种平衡被广泛观察到，但很少知道是否存在可以避免偏差和方差之间的权衡的方法。我们提出了一般的策略，以获得对任何估计方差的下限，偏差小于预先限定的界限。这表明偏差差异折衷的程度是不可避免的，并且允许量化不服从其的方法的性能损失。该方法基于许多抽象的下限，用于涉及关于不同概率措施的预期变化以及诸如Kullback-Leibler或Chi-Sque-diversence的信息措施的变化。其中一些不平等依赖于信息矩阵的新概念。在该物品的第二部分中，将抽象的下限应用于几种统计模型，包括高斯白噪声模型，边界估计问题，高斯序列模型和高维线性回归模型。对于这些特定的统计应用，发生不同类型的偏差差异发生，其实力变化很大。对于高斯白噪声模型中集成平方偏置和集成方差之间的权衡，我们将较低界限的一般策略与减少技术相结合。这允许我们将原始问题与估计的估计器中的偏差折衷联动，以更简单的统计模型中具有额外的对称性属性。在高斯序列模型中，发生偏差差异的不同相位转换。虽然偏差和方差之间存在非平凡的相互作用，但是平方偏差的速率和方差不必平衡以实现最小估计速率。

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。

我们提出了一种惩罚的非参数方法，以使用整流器二次单元（REEND）激活了深层神经网络，以估计不可分割的模型中的分位数回归过程（QRP），并引入了新的惩罚函数，以实施对瓦解回归曲线的非交叉。我们为估计的QRP建立了非反应过量的风险界限，并在轻度平滑度和规律性条件下得出估计的QRP的平均综合平方误差。为了建立这些非反应风险和估计误差范围，我们还使用$ s> 0 $及其衍生物及其衍生物使用所需的激活的神经网络开发了一个新的错误，用于近似$ c^s $平滑功能。这是必需网络的新近似结果，并且具有独立的兴趣，并且可能在其他问题中有用。我们的数值实验表明，所提出的方法具有竞争性或胜过两种现有方法，包括使用再现核和随机森林的方法，用于非参数分位数回归。

在因果推理和强盗文献中，基于观察数据的线性功能估算线性功能的问题是规范的。我们分析了首先估计治疗效果函数的广泛的两阶段程序，然后使用该数量来估计线性功能。我们证明了此类过程的均方误差上的非反应性上限：这些边界表明，为了获得非反应性最佳程序，应在特定加权$ l^2 $中最大程度地估算治疗效果的误差。 -规范。我们根据该加权规范的约束回归分析了两阶段的程序，并通过匹配非轴突局部局部最小值下限，在有限样品中建立了实例依赖性最优性。这些结果表明，除了取决于渐近效率方差之外，最佳的非质子风险除了取决于样本量支持的最富有函数类别的真实结果函数与其近似类别之间的加权规范距离。

协方差估计在功能数据分析中普遍存在。然而，对多维域的功能观测的情况引入了计算和统计挑战，使标准方法有效地不适用。为了解决这个问题，我们将“协方差网络”（CoVNet）介绍为建模和估算工具。 Covnet模型是“Universal” - 它可用于近似于达到所需精度的任何协方差。此外，该模型可以有效地拟合到数据，其神经网络架构允许我们在实现中采用现代计算工具。 Covnet模型还承认了一个封闭形式的实体分解，可以有效地计算，而不构建协方差本身。这有助于在CoVnet的背景下轻松存储和随后操纵协方差。我们建立了拟议估计者的一致性，得出了汇合速度。通过广泛的仿真研究和休息状态FMRI数据的应用，证明了所提出的方法的有用性。

我们研究神经网络表达能力的基本限制。给定两组$ f $，$ g $的实值函数，我们首先证明了$ f $中的功能的一般下限，可以在$ l^p（\ mu）$ norm中通过$ g中的功能近似$，对于任何$ p \ geq 1 $和任何概率度量$ \ mu $。下限取决于$ f $的包装数，$ f $的范围以及$ g $的脂肪震动尺寸。然后，我们实例化了$ g $对应于分段的馈电神经网络的情况，并详细描述了两组$ f $：h {\“ o} lder balls和多变量单调函数。除了匹配（已知或新的）上限与日志因素外，我们的下限还阐明了$ l^p $ Norm或SUP Norm中近似之间的相似性或差异，解决了Devore等人的开放问题（2021年））。我们的证明策略与SUP Norm案例不同，并使用了Mendelson（2002）的关键概率结果。

本文研究了基于Laplacian Eigenmaps（Le）的基于Laplacian EIGENMAPS（PCR-LE）的主要成分回归的统计性质，这是基于Laplacian Eigenmaps（Le）的非参数回归的方法。 PCR-LE通过投影观察到的响应的向量$ {\ bf y} =（y_1，\ ldots，y_n）$ to to changbood图表拉普拉斯的某些特征向量跨越的子空间。我们表明PCR-Le通过SoboLev空格实现了随机设计回归的最小收敛速率。在设计密度$ P $的足够平滑条件下，PCR-le达到估计的最佳速率（其中已知平方$ l ^ 2 $ norm的最佳速率为$ n ^ { - 2s /（2s + d） ）} $）和健美的测试（$ n ^ { - 4s /（4s + d）$）。我们还表明PCR-LE是\ EMPH {歧管Adaptive}：即，我们考虑在小型内在维度$ M $的歧管上支持设计的情况，并为PCR-LE提供更快的界限Minimax估计（$ n ^ { - 2s /（2s + m）$）和测试（$ n ^ { - 4s /（4s + m）$）收敛率。有趣的是，这些利率几乎总是比图形拉普拉斯特征向量的已知收敛率更快;换句话说，对于这个问题的回归估计的特征似乎更容易，统计上讲，而不是估计特征本身。我们通过经验证据支持这些理论结果。

The fundamental learning theory behind neural networks remains largely open. What classes of functions can neural networks actually learn? Why doesn't the trained network overfit when it is overparameterized?In this work, we prove that overparameterized neural networks can learn some notable concept classes, including two and three-layer networks with fewer parameters and smooth activations. Moreover, the learning can be simply done by SGD (stochastic gradient descent) or its variants in polynomial time using polynomially many samples. The sample complexity can also be almost independent of the number of parameters in the network.On the technique side, our analysis goes beyond the so-called NTK (neural tangent kernel) linearization of neural networks in prior works. We establish a new notion of quadratic approximation of the neural network (that can be viewed as a second-order variant of NTK), and connect it to the SGD theory of escaping saddle points.

我们从经典非参数回归问题的镜头研究神经网络（NN）的理论，重点是NN具有异质平滑度自适应估计功能的能力 - BESOV或有界变异（BV）类的功能属性。关于此问题的现有工作需要根据功能空间和样本量来调整NN体系结构。我们考虑了Deep Relu网络的“平行NN”变体，并表明标准重量衰减相当于促进端到端学习的系数向量的$ \ ell_p $ -sparsity（$ 0 <p <1 $）函数基础，即字典。使用这种等效性，我们进一步确定，仅通过调整权重衰减，这种平行的NN就可以任意接近BESOV和BV类的最小值率达到估计误差。值得注意的是，随着NN的深度，它呈指数级接近最佳。我们的研究为为什么深度重要以及NNS如何比内核方法更强大。

了解通过随机梯度下降（SGD）训练的神经网络的特性是深度学习理论的核心。在这项工作中，我们采取了平均场景，并考虑通过SGD培训的双层Relu网络，以实现一个非变量正则化回归问题。我们的主要结果是SGD偏向于简单的解决方案：在收敛时，Relu网络实现输入的分段线性图，以及“结”点的数量 - 即，Relu网络估计器的切线变化的点数 - 在两个连续的训练输入之间最多三个。特别地，随着网络的神经元的数量，通过梯度流的解决方案捕获SGD动力学，并且在收敛时，重量的分布方法接近相关的自由能量的独特最小化器，其具有GIBBS形式。我们的主要技术贡献在于分析了这一最小化器产生的估计器：我们表明其第二阶段在各地消失，除了代表“结”要点的一些特定地点。我们还提供了经验证据，即我们的理论预测的不同可能发生与数据点不同的位置的结。

We consider the problem of estimating a multivariate function $f_0$ of bounded variation (BV), from noisy observations $y_i = f_0(x_i) + z_i$ made at random design points $x_i \in \mathbb{R}^d$, $i=1,\ldots,n$. We study an estimator that forms the Voronoi diagram of the design points, and then solves an optimization problem that regularizes according to a certain discrete notion of total variation (TV): the sum of weighted absolute differences of parameters $\theta_i,\theta_j$ (which estimate the function values $f_0(x_i),f_0(x_j)$) at all neighboring cells $i,j$ in the Voronoi diagram. This is seen to be equivalent to a variational optimization problem that regularizes according to the usual continuum (measure-theoretic) notion of TV, once we restrict the domain to functions that are piecewise constant over the Voronoi diagram. The regression estimator under consideration hence performs (shrunken) local averaging over adaptively formed unions of Voronoi cells, and we refer to it as the Voronoigram, following the ideas in Koenker (2005), and drawing inspiration from Tukey's regressogram (Tukey, 1961). Our contributions in this paper span both the conceptual and theoretical frontiers: we discuss some of the unique properties of the Voronoigram in comparison to TV-regularized estimators that use other graph-based discretizations; we derive the asymptotic limit of the Voronoi TV functional; and we prove that the Voronoigram is minimax rate optimal (up to log factors) for estimating BV functions that are essentially bounded.

我们考虑使用修改后的Relu神经网络进行回归估计，其中首先通过函数$ \ alpha $修改网络权重矩阵，然后再乘以输入向量。我们举例说明连续的，分段线性函数$ \ alpha $为此，以$ l_1 $和Squared $ l_2 $惩罚的经验风险最小化符合经验的风险最小化，最多可进行预测率未知的$ \ beta $ -smooth函数。

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 $）。

We explore the ability of overparameterized shallow ReLU neural networks to learn Lipschitz, non-differentiable, bounded functions with additive noise when trained by Gradient Descent (GD). To avoid the problem that in the presence of noise, neural networks trained to nearly zero training error are inconsistent in this class, we focus on the early-stopped GD which allows us to show consistency and optimal rates. In particular, we explore this problem from the viewpoint of the Neural Tangent Kernel (NTK) approximation of a GD-trained finite-width neural network. We show that whenever some early stopping rule is guaranteed to give an optimal rate (of excess risk) on the Hilbert space of the kernel induced by the ReLU activation function, the same rule can be used to achieve minimax optimal rate for learning on the class of considered Lipschitz functions by neural networks. We discuss several data-free and data-dependent practically appealing stopping rules that yield optimal rates.

本文研究了在潜在的结果框架中使用深神经网络（DNN）的平均治疗效果（ATE）的估计和推理。在一些规则性条件下，观察到的响应可以作为与混杂变量和治疗指标作为自变量的平均回归问题的响应。使用这种配方，我们研究了通过使用特定网络架构的DNN回归基于估计平均回归函数的两种尝试估计和推断方法。我们表明ATE的两个DNN估计在底层真正的均值回归模型上的一些假设下与无维一致性率一致。我们的模型假设可容纳观察到的协变量的潜在复杂的依赖结构，包括治疗指标和混淆变量之间的潜在因子和非线性相互作用。我们还基于采样分裂的思想，确保精确推理和不确定量化，建立了我们估计的渐近常态。仿真研究和实际数据应用证明了我们的理论调查结果，支持我们的DNN估计和推理方法。

多层馈电网络已用于近似广泛的非线性函数。一个重要且基本的问题是通过其统计风险或未来数据的预期预测错误来了解网络模型的可学习性。据我们所知，现有作品所显示的神经网络的收敛速率最多受$ n^{ - 1/4} $的顺序，样本大小为$ n $。在本文中，我们表明，具有任意宽度的一类变异受限的神经网络可以实现接近参数的$ n^{ - 1/2+\ delta} $，用于任意的正常常数$ \ delta $。在平方误差下，它等效于$ n^{ - 1 +2 \ delta} $。数值实验也可以观察到这个速率。结果表明，近似平滑功能所需的神经功能空间可能不如通常感知的那样大。我们的结果还提供了对当神经元和学习参数的数量和学习参数迅速增长，甚至超过$ n $时，深层神经网络并不容易遭受过度匹配的现象。我们还讨论了有关其他网络参数的收敛速率，包括输入维度，网络层和系数规范。