Modern neural networks are expected to simultaneously satisfy a host of desirable properties: accurate fitting to training data, generalization to unseen inputs, parameter and computational efficiency, and robustness to adversarial perturbations. While compressibility and robustness have each been studied extensively, a unified understanding of their interaction still remains elusive. In this work, we develop a principled framework to analyze how different forms of compressibility - such as neuron-level sparsity and spectral compressibility - affect adversarial robustness. We show that these forms of compression can induce a small number of highly sensitive directions in the representation space, which adversaries can exploit to construct effective perturbations. Our analysis yields a simple yet instructive robustness bound, revealing how neuron and spectral compressibility impact $L_\infty$ and $L_2$ robustness via their effects on the learned representations. Crucially, the vulnerabilities we identify arise irrespective of how compression is achieved - whether via regularization, architectural bias, or implicit learning dynamics. Through empirical evaluations across synthetic and realistic tasks, we confirm our theoretical predictions, and further demonstrate that these vulnerabilities persist under adversarial training and transfer learning, and contribute to the emergence of universal adversarial perturbations. Our findings show a fundamental tension between structured compressibility and robustness, and suggest new pathways for designing models that are both efficient and secure.


翻译:现代神经网络被期望同时满足一系列理想特性:对训练数据的精确拟合、对未见输入的泛化能力、参数与计算效率,以及对对抗扰动的鲁棒性。尽管压缩性与鲁棒性各自已得到广泛研究,但对其相互作用的统一理解仍然缺乏。本研究构建了一个理论框架,用于分析不同形式的压缩性——如神经元级稀疏性与谱压缩性——如何影响对抗鲁棒性。我们证明这些压缩形式可能在表征空间中诱导出少量高度敏感的方向,攻击者可利用这些方向构建有效扰动。我们的分析推导出一个简洁而具启发性的鲁棒性边界,揭示了神经元与谱压缩性如何通过其对学习表征的影响,分别影响 $L_\infty$ 与 $L_2$ 鲁棒性。关键的是,我们所识别的脆弱性独立于压缩的实现方式——无论是通过正则化、结构偏置还是隐式学习动态产生。通过在合成任务与真实任务上的实证评估,我们验证了理论预测,并进一步证明这些脆弱性在对抗训练与迁移学习场景下持续存在,且促进了通用对抗扰动的产生。我们的研究揭示了结构化压缩性与鲁棒性之间的本质矛盾,并为设计兼具高效性与安全性的模型提出了新的路径。

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