Deep Learning has revolutionized machine learning and artificial intelligence, achieving superhuman performance in several standard benchmarks. It is well-known that deep learning models are inefficient to train; they learn by processing millions of training data multiple times and require powerful computational resources to process large batches of data in parallel at the same time rather than sequentially. Deep learning models also have unexpected failure modes; they can be fooled into misbehaviour, producing unexpectedly incorrect predictions. In this thesis, we study approaches to improve the training efficiency and robustness of deep learning models. In the context of learning visual-semantic embeddings, we find that prioritizing learning on more informative training data increases convergence speed and improves generalization performance on test data. We formalize a simple trick called hard negative mining as a modification to the learning objective function with no computational overhead. Next, we seek improvements to optimization speed in general-purpose optimization methods in deep learning. We show that a redundancy-aware modification to the sampling of training data improves the training speed and develops an efficient method for detecting the diversity of training signal, namely, gradient clustering. Finally, we study adversarial robustness in deep learning and approaches to achieve maximal adversarial robustness without training with additional data. For linear models, we prove guaranteed maximal robustness achieved only by appropriate choice of the optimizer, regularization, or architecture.


翻译:深层学习使机器学习和人工智能发生了革命性的变化,在几个标准基准中实现了超人业绩。众所周知,深层学习模式在培训方面效率低下;通过多次处理数百万个培训数据学习;通过多次处理数百万个培训数据学习;需要强大的计算资源来同时而不是连续处理大量数据。深层学习模式也有出乎意料的失败模式;它们可能被骗入错误行为,产生出意想不到的不正确的预测。在这个论文中,我们研究提高深层学习模式的培训效率和稳健性的方法。在学习视觉-语义嵌入方面,我们发现将更多信息化培训数据的学习列为优先事项,会提高趋同速度,提高测试数据的一般性能的通用性能。我们把称为硬性负性挖掘的简单伎俩正式化为对学习客观功能的修改,而没有计算间接费用。我们寻求改进一般用途优化方法,产生出出乎意料的错误的预测。我们发现,对培训数据取样的冗余性修改可以提高培训速度,并开发一种有效的方法来检测培训信号的多样性,即梯式组合。最后,我们研究激烈的激烈的正对立性理论性强性学习方法,我们只通过不力性学习,并达到最强的正确性标准,我们通过适当的标准化标准化的模型来实现。

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