本文旨在通过从基本规则中扣除来探索其分段线性函数的解决方案来解释FeedForward Relu网络的机制。构造的解决方案应足够通用，以解释某些工程的网络体系结构；为此，提供了多种方法来增强解决方案通用性。我们理论的某些后果包括：在仿射几何背景下，给出了三层网络和深层网络的解决方案，尤其是对于实践中应用的那些架构，例如多层馈电神经网络和解码器；我们对网络体系结构的每个组成部分进行清晰而直观的解释；研究了多输出的参数共享机制；我们提供了过度参数解决方案的解释，该解决方案在仿射变换方面提供了解释。在我们的框架下，与较浅层相比，深层的优势是自然而然的。一些中间结果是对神经网络建模或理解的基本知识，例如嵌入在高维空间中的数据的分类，仿射变换的概括，矩阵等级的概率模型，可区分数据集的概念和干扰的概念在超级公寓中，等等。

本文在所谓的插值矩阵方面提供了一个理论框架，该框架是用于插值的FeedForward Relu网络的解决方案，这是我们三项上述作品的摘要，扩展和概括，并期望工程的解决方案可以是包括在此框架中，最终被理解。对于三层网络，我们对不同种类的解决方案进行了分类，并以归一化形式对其进行建模；解决方案发现由三个维度进行研究，包括数据，网络和培训；解释了过度参数解决方案的机制。对于深层网络，我们提出了一个称为稀疏矩阵原理的一般结果，可以描述深层的某些基本行为，并解释与脑科学相关的工程应用中出现的稀疏激活模式的现象；与较浅的层相比，深层的优势在此原理中表现出来。作为应用，该原则构建了深层神经网络的一般解决方案。我们还使用该原理来研究编码器的数据渗透属性。类似于三层情况，还通过几个维度探索了深层的溶液。从插值矩阵的角度解释了多输出神经网络的机制。

本文提出了关于自动编码器机制的理论框架。在编码器部分中，在降低维度的主要用途下，我们研究了其两个基本属性：徒图和数据删除。给出了满足以上两个属性的编码器的一般构造方法。对于解码器部分而言，由于编码器构造的结果，我们提出了解决方案的新基本原理，而无需使用仿射变换。对自动编码器的概括机制进行了建模。 Relu自动编码器的结果概括为某些非Relu情况，特别是对于Sigmoid-Unit自动编码器。基于上面的理论框架，我们解释了变异自动编码器，降解自动编码器和线性单位自动编码器的一些实验结果，重点是通过编码器对数据的下维表示解释；而且，通过自动编码器恢复图像的机理是很自然的，可以通过这些解释来理解。与PCA和决策树相比，分别证明了（广义）自动编码器对降低和分类的优势。卷积神经网络和随机加权的神经网络也通过该框架解释。

This paper first constructs a typical solution of ResNets for multi-category classifications by the principle of gate-network controls and deep-layer classifications, from which a general interpretation of the ResNet architecture is given and the performance mechanism is explained. We then use more solutions to further demonstrate the generality of that interpretation. The universal-approximation capability of ResNets is proved.

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。

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。

众所周知，具有重新激活函数的完全连接的前馈神经网络可以表示的参数化函数家族恰好是一类有限的分段线性函数。鲜为人知的是，对于Relu神经网络的每个固定架构，参数空间都允许对称的正维空间，因此，在任何给定参数附近的局部功能维度都低于参数维度。在这项工作中，我们仔细地定义了功能维度的概念，表明它在Relu神经网络函数的参数空间中是不均匀的，并继续进行[14]和[5]中的调查 - 何时在功能维度实现其理论时最大。我们还研究了从参数空间到功能空间的实现图的商空间和纤维，提供了断开连接的纤维的示例，功能尺寸为非恒定剂的纤维以及对称组在其上进行非转换的纤维。

由于其在输入空间子集上的功能的知识，因此可以根据情况，诅咒或祝福来恢复神经网络的参数权重和偏差的可能性。一方面，恢复参数允许更好的对抗攻击，并且还可以从用于构造网络的数据集中披露敏感信息。另一方面，如果可以恢复网络的参数，它可以保证用户可以解释潜在空间中的特征。它还提供基础，以获得对网络性能的正式保障。因此，表征可以识别其参数的网络以及其参数不能的网络是很重要的。在本文中，我们在深度全连接的前馈recu网络上提供了一组条件，在该馈电中，网络的参数是唯一识别的模型置换和正重型 - 从其实现输入空间的子集。

让F：R ^ N - > R是前馈RELU神经网络。众所周知，对于任何选择参数，F是连续和分段（仿射）线性的。我们为有系统调查提供了一些基础，用于系统的架构如何影响其可能的决策区域的几何和拓扑以进行二进制分类任务。在差分拓扑中顺利函数的经典进展之后，我们首先定义通用，横向relu神经网络的概念，并显示几乎所有的Relu网络都是通用的和横向的。然后，我们在F的域中定义了一个部分取向的线性1-复合物，并识别该复合物的属性，从而产生妨碍决策区域的有界连接分量的障碍物。我们使用该阻塞来证明具有单个隐藏的尺寸层（N + 1）的通用横向Relu网络F：R ^ N - > R的决策区域可以不具有多于一个有界连接的组件。

我们研究了神经网络中平方损耗训练问题的优化景观和稳定性，但通用非线性圆锥近似方案。据证明，如果认为非线性圆锥近似方案是（以适当定义的意义）比经典线性近似方法更具表现力，并且如果存在不完美的标签向量，则在方位损耗的训练问题必须在其中不稳定感知其解决方案集在训练数据中的标签向量上不连续地取决于标签向量。我们进一步证明对这些不稳定属性负责的效果也是马鞍点出现的原因和杂散的局部最小值，这可能是从全球解决方案的任意遥远的，并且既不训练问题也不是训练问题的不稳定性通常，杂散局部最小值的存在可以通过向目标函数添加正则化术语来克服衡量近似方案中参数大小的目标函数。无论可实现的可实现性是否满足，后一种结果都被证明是正确的。我们表明，我们的分析特别适用于具有可变宽度的自由结插值方案和深层和浅层神经网络的培训问题，其涉及各种激活功能的任意混合（例如，二进制，六骨，Tanh，arctan，软标志， ISRU，Soft-Clip，SQNL，Relu，Lifley Relu，Soft-Plus，Bent Identity，Silu，Isrlu和ELU）。总之，本文的发现说明了神经网络和一般非线性圆锥近似仪器的改进近似特性以直接和可量化的方式与必须解决的优化问题的不期望的性质链接，以便训练它们。

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。

我们介绍了可以由具有Maxout单位的人造馈电神经网络表示的功能线性区域的数量。排名kaxout单元是一个函数，计算$ k $线性函数的最大值。对于具有单层Maxout单元的网络，线性区域对应于Minkowski多型的上顶点。我们根据热带超曲面的交点或部分Minkowski总和的上面数，以及任何输入维度的区域数，任何单位数量，任何等级，任何等级，任何等级，以及任何等级，以及任何等级，以及任何等级，以及任何等级，以及任何等级，以及任何等级，以及任何等级，以及任何等级，以及任何等级，以及任何等级，以及任何等级，以及任何等级，以及任何等级，以及任何等级，以及任何等级，在有和没有偏见的情况下。基于这些结果，我们还为具有多层的网络获得了渐近的上限。

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。

使用神经网络学习依赖于可代表功能的复杂性，但更重要的是，典型参数的特定分配与不同复杂度的功能。将激活区域的数量作为复杂性度量，最近的作品表明，深度释放网络的实际复杂性往往远远远非理论最大值。在这项工作中，我们表明这种现象也发生在具有颤扬（多参数）激活功能的网络中，并且在考虑分类任务中的决策边界时。我们还表明参数空间具有多维全维区域，具有广泛不同的复杂性，并在预期的复杂性上获得非竞争下限。最后，我们调查了不同的参数初始化程序，并表明他们可以提高培训的收敛速度。

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。

这项调查旨在提供线性模型及其背后的理论的介绍。我们的目标是对读者进行严格的介绍，并事先接触普通最小二乘。在机器学习中，输出通常是输入的非线性函数。深度学习甚至旨在找到需要大量计算的许多层的非线性依赖性。但是，这些算法中的大多数都基于简单的线性模型。然后，我们从不同视图中描述线性模型，并找到模型背后的属性和理论。线性模型是回归问题中的主要技术，其主要工具是最小平方近似，可最大程度地减少平方误差之和。当我们有兴趣找到回归函数时，这是一个自然的选择，该回归函数可以最大程度地减少相应的预期平方误差。这项调查主要是目的的摘要，即线性模型背后的重要理论的重要性，例如分布理论，最小方差估计器。我们首先从三种不同的角度描述了普通的最小二乘，我们会以随机噪声和高斯噪声干扰模型。通过高斯噪声，该模型产生了可能性，因此我们引入了最大似然估计器。它还通过这种高斯干扰发展了一些分布理论。最小二乘的分布理论将帮助我们回答各种问题并引入相关应用。然后，我们证明最小二乘是均值误差的最佳无偏线性模型，最重要的是，它实际上接近了理论上的极限。我们最终以贝叶斯方法及以后的线性模型结束。

We consider the algorithmic problem of finding the optimal weights and biases for a two-layer fully connected neural network to fit a given set of data points. This problem is known as empirical risk minimization in the machine learning community. We show that the problem is $\exists\mathbb{R}$-complete. This complexity class can be defined as the set of algorithmic problems that are polynomial-time equivalent to finding real roots of a polynomial with integer coefficients. Furthermore, we show that arbitrary algebraic numbers are required as weights to be able to train some instances to optimality, even if all data points are rational. Our results hold even if the following restrictions are all added simultaneously. $\bullet$ There are exactly two output neurons. $\bullet$ There are exactly two input neurons. $\bullet$ The data has only 13 different labels. $\bullet$ The number of hidden neurons is a constant fraction of the number of data points. $\bullet$ The target training error is zero. $\bullet$ The ReLU activation function is used. This shows that even very simple networks are difficult to train. The result explains why typical methods for $\mathsf{NP}$-complete problems, like mixed-integer programming or SAT-solving, cannot train neural networks to global optimality, unless $\mathsf{NP}=\exists\mathbb{R}$. We strengthen a recent result by Abrahamsen, Kleist and Miltzow [NeurIPS 2021].

在本文中，我们在具有线性阈值激活功能的神经网络上提出了新的结果。我们精确地表征了这种神经网络可表示的功能，并且显示2个隐藏层是必要的并且足以表示类中可表示的任何功能。鉴于使用其他流行的激活功能的神经网络的最近精确的可比性调查，这是一个令人惊讶的结果，这些功能使用其他流行的激活功能，如整流的线性单元（Relu）。我们还给出了代表类中任意函数所需的神经网络的大小的精确界限。最后，我们设计了一种算法来解决具有固定架构的这些神经网络的全球最优性的经验风险最小化（ERM）问题。如果输入维度和网络架构的大小被认为是固定常数，则算法的运行时间是数据样本大小的多项式。该算法的意义上是独一无二的，即它适用于任何数量的层数，而先前的多项式时间全局最佳算法仅适用于非常受限制的架构类。

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。

We study the complexity of functions computable by deep feedforward neural networks with piecewise linear activations in terms of the symmetries and the number of linear regions that they have. Deep networks are able to sequentially map portions of each layer's input-space to the same output. In this way, deep models compute functions that react equally to complicated patterns of different inputs. The compositional structure of these functions enables them to re-use pieces of computation exponentially often in terms of the network's depth. This paper investigates the complexity of such compositional maps and contributes new theoretical results regarding the advantage of depth for neural networks with piecewise linear activation functions. In particular, our analysis is not specific to a single family of models, and as an example, we employ it for rectifier and maxout networks. We improve complexity bounds from pre-existing work and investigate the behavior of units in higher layers.