There is mounting evidence of emergent phenomena in the capabilities of deep learning methods as we scale up datasets, model sizes, and training times. While there are some accounts of how these resources modulate statistical capacity, far less is known about their effect on the computational problem of model training. This work conducts such an exploration through the lens of learning a $k$-sparse parity of $n$ bits, a canonical discrete search problem which is statistically easy but computationally hard. Empirically, we find that a variety of neural networks successfully learn sparse parities, with discontinuous phase transitions in the training curves. On small instances, learning abruptly occurs at approximately $n^{O(k)}$ iterations; this nearly matches SQ lower bounds, despite the apparent lack of a sparse prior. Our theoretical analysis shows that these observations are not explained by a Langevin-like mechanism, whereby SGD "stumbles in the dark" until it finds the hidden set of features (a natural algorithm which also runs in $n^{O(k)}$ time). Instead, we show that SGD gradually amplifies the sparse solution via a Fourier gap in the population gradient, making continual progress that is invisible to loss and error metrics.


翻译:随着我们扩大数据集、模型大小和培训时间,深层次学习方法的能力中出现了新现象。虽然有一些关于这些资源如何调节统计能力的描述,但对于这些对模型培训计算问题的影响却知之甚少。这项工作通过学习美元对美元位数的偏差等值,即一个在统计上容易但计算上很难的粗略离散搜索问题,来进行这种探索。我们偶然地发现,各种神经网络成功地学会了稀薄的分布,在培训曲线中出现了不连续的阶段转变。在小例子中,学习的突然发生是大约$ ⁇ (k)美元(k)的迭代;这几乎与SQ的较低界限相匹配,尽管以前显然缺乏稀薄。我们的理论分析表明,这些观察并不是由兰格文这样的机制来解释的,即SGD“在黑暗中跌倒”直到发现一套隐藏的特征(一种自然算法,在美元(k)的时间里也存在不连续的相相向阶段转换。相反,我们显示SGD(GD)会通过渐渐渐变的梯度,而使SGD(SGD)渐渐渐渐变的迷误)到渐渐渐的分辨率。

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