A large number of current machine learning methods rely upon deep neural networks. Yet, viewing neural networks as nonlinear dynamical systems, it becomes quickly apparent that mathematically rigorously establishing certain patterns generated by the nodes in the network is extremely difficult. Indeed, it is well-understood in the nonlinear dynamics of complex systems that, even in low-dimensional models, analytical techniques rooted in pencil-and-paper approaches reach their limits quickly. In this work, we propose a completely different perspective via the paradigm of rigorous numerical methods of nonlinear dynamics. The idea is to use computer-assisted proofs to validate mathematically the existence of nonlinear patterns in neural networks. As a case study, we consider a class of recurrent neural networks, where we prove via computer assistance the existence of several hundred Hopf bifurcation points, their non-degeneracy, and hence also the existence of several hundred periodic orbits. Our paradigm has the capability to rigorously verify complex nonlinear behaviour of neural networks, which provides a first step to explain the full abilities, as well as potential sensitivities, of machine learning methods via computer-assisted proofs.


翻译:目前大量机器学习方法依赖于深层神经网络。然而,将神经网络看成非线性动态系统,很快就可以看出,在数学上严格地建立网络节点产生的某些模式是极其困难的。事实上,它非常清楚复杂系统的非线性动态,即使在低维模型中,铅笔和纸面方法中产生的分析技术也很快达到极限。在这项工作中,我们提出一个完全不同的观点,通过严格的非线性动态数字方法的严格数字方法范式来验证非线性动态系统。其理念是使用计算机辅助的证明来从数学上验证神经网络中是否存在非线性模式。作为案例研究,我们考虑了一系列经常性的神经网络,我们通过计算机证明存在几百个Hopf两极点,这些点的非脱色性,因此也存在几百个定期轨道。我们的范例有能力严格地核查神经网络的复杂非线性行为,这为解释通过计算机辅助证据进行机器学习的全部能力以及潜在敏感性提供了第一步。

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