There is a growing interest on large-width asymptotic properties of Gaussian neural networks (NNs), namely NNs whose weights are initialized according to Gaussian distributions. A well-established result is that, as the width goes to infinity, a Gaussian NN converges in distribution to a Gaussian stochastic process, which provides an asymptotic or qualitative Gaussian approximation of the NN. In this paper, we introduce some non-asymptotic or quantitative Gaussian approximations of Gaussian NNs, quantifying the approximation error with respect to some popular distances for (probability) distributions, e.g. the $1$-Wasserstein distance, the total variation distance and the Kolmogorov-Smirnov distance. Our results rely on the use of second-order Gaussian Poincar\'e inequalities, which provide tight estimates of the approximation error, with optimal rates. This is a novel application of second-order Gaussian Poincar\'e inequalities, which are well-known in the probabilistic literature for being a powerful tool to obtain Gaussian approximations of general functionals of Gaussian stochastic processes. A generalization of our results to deep Gaussian NNs is discussed.


翻译:通过二阶Poincaré不等式对高斯神经网络进行非渐进逼近 翻译后的摘要: 本文对高斯神经网络进行非渐进(quantitative)高斯逼近方法进行了研究。该方法可以通过一些流行的概率距离(如$1$-Wasserstein距离、总变差距离和Kolmogorov-Smirnov距离)量化逼近误差。我们的研究利用了高斯Poincaré不等式的二阶(second-order)版本,该不等式是一种强大的工具,可以对高斯随机过程的一般性函数进行高斯逼近。我们的结果可以提供最优的逼近速率和紧密的误差估计。同时,我们还讨论了将这些结果推广到深高斯神经网络的情况。

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人工神经网络(Artificial Neural Network,即ANN ),是20世纪80 年代以来人工智能领域兴起的研究热点。它从信息处理角度对人脑神经元网络进行抽象, 建立某种简单模型,按不同的连接方式组成不同的网络。在工程与学术界也常直接简称为神经网络或类神经网络。神经网络是一种运算模型,由大量的节点(或称神经元)之间相互联接构成。每个节点代表一种特定的输出函数,称为激励函数(activation function)。每两个节点间的连接都代表一个对于通过该连接信号的加权值,称之为权重,这相当于人工神经网络的记忆。网络的输出则依网络的连接方式,权重值和激励函数的不同而不同。而网络自身通常都是对自然界某种算法或者函数的逼近,也可能是对一种逻辑策略的表达。 最近十多年来,人工神经网络的研究工作不断深入,已经取得了很大的进展,其在模式识别、智能机器人、自动控制、预测估计、生物、医学、经济等领域已成功地解决了许多现代计算机难以解决的实际问题,表现出了良好的智能特性。
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