Understanding the dynamics of neural network parameters during training is one of the key challenges in building a theoretical foundation for deep learning. A central obstacle is that the motion of a network in high-dimensional parameter space undergoes discrete finite steps along complex stochastic gradients derived from real-world datasets. We circumvent this obstacle through a unifying theoretical framework based on intrinsic symmetries embedded in a network's architecture that are present for any dataset. We show that any such symmetry imposes stringent geometric constraints on gradients and Hessians, leading to an associated conservation law in the continuous-time limit of stochastic gradient descent (SGD), akin to Noether's theorem in physics. We further show that finite learning rates used in practice can actually break these symmetry induced conservation laws. We apply tools from finite difference methods to derive modified gradient flow, a differential equation that better approximates the numerical trajectory taken by SGD at finite learning rates. We combine modified gradient flow with our framework of symmetries to derive exact integral expressions for the dynamics of certain parameter combinations. We empirically validate our analytic expressions for learning dynamics on VGG-16 trained on Tiny ImageNet. Overall, by exploiting symmetry, our work demonstrates that we can analytically describe the learning dynamics of various parameter combinations at finite learning rates and batch sizes for state of the art architectures trained on any dataset.


翻译:了解培训期间神经网络参数的动态是建立深层学习理论基础的关键挑战之一。一个中心障碍是,高维参数空间网络的移动沿来自真实世界数据集的复杂随机梯度,沿复杂的随机梯度,采取离散的有限步骤。我们通过一个基于网络结构中内在的对称性的统一理论框架来绕过这一障碍,而这种结构对任何数据集都存在。我们表明,任何这种对称性都对梯度和海森人施加严格的几何限制,导致高维参数空间网络的运动在与诺埃瑟物理理论相似的连续时间限制中产生相关的保护法。我们进一步表明,实践中使用的有限学习率实际上可以打破这些对称性自然世界数据集。我们运用从有限差异方法获得改良梯度流的工具,这种差异方程式更接近SGD在有限学习率上采用的数字轨迹。我们把经修改的梯度流动与我们的对等值框架结合起来,以得出某些参数组合的精确整体表达方式。我们经过培训的亚瑟梯度,我们通过对各种动态分析后的研究,我们通过学习了各种动态分析性动态分析,可以展示我们关于各种动态的图态。

0
下载
关闭预览

相关内容

【图与几何深度学习】Graph and geometric deep learning,49页ppt
专知会员服务
41+阅读 · 2021年4月2日
【斯坦福大学】Gradient Surgery for Multi-Task Learning
专知会员服务
45+阅读 · 2020年1月23日
专知会员服务
158+阅读 · 2020年1月16日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
145+阅读 · 2019年10月12日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
171+阅读 · 2019年10月11日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
39+阅读 · 2019年10月9日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
15+阅读 · 2019年1月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
17+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
41+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
16+阅读 · 2018年12月24日
LibRec 精选:连通知识图谱与推荐系统
LibRec智能推荐
3+阅读 · 2018年8月9日
Hierarchical Disentangled Representations
CreateAMind
4+阅读 · 2018年4月15日
Auto-Encoding GAN
CreateAMind
7+阅读 · 2017年8月4日
强化学习族谱
CreateAMind
26+阅读 · 2017年8月2日
强化学习 cartpole_a3c
CreateAMind
9+阅读 · 2017年7月21日
LibRec 每周算法:Collaborative Metric Learning (WWW'17)
LibRec智能推荐
6+阅读 · 2017年7月4日
Parsimonious Bayesian deep networks
Arxiv
5+阅读 · 2018年10月17日
Arxiv
5+阅读 · 2018年5月31日
Arxiv
8+阅读 · 2018年5月15日
VIP会员
相关VIP内容
相关资讯
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
15+阅读 · 2019年1月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
17+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
41+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
16+阅读 · 2018年12月24日
LibRec 精选:连通知识图谱与推荐系统
LibRec智能推荐
3+阅读 · 2018年8月9日
Hierarchical Disentangled Representations
CreateAMind
4+阅读 · 2018年4月15日
Auto-Encoding GAN
CreateAMind
7+阅读 · 2017年8月4日
强化学习族谱
CreateAMind
26+阅读 · 2017年8月2日
强化学习 cartpole_a3c
CreateAMind
9+阅读 · 2017年7月21日
LibRec 每周算法:Collaborative Metric Learning (WWW'17)
LibRec智能推荐
6+阅读 · 2017年7月4日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员