In recent years, implicit deep learning has emerged as a method to increase the depth of deep neural networks. While their training is memory-efficient, they are still significantly slower to train than their explicit counterparts. In Deep Equilibrium Models (DEQs), the training is performed as a bi-level problem, and its computational complexity is partially driven by the iterative inversion of a huge Jacobian matrix. In this paper, we propose a novel strategy to tackle this computational bottleneck from which many bi-level problems suffer. The main idea is to use the quasi-Newton matrices from the forward pass to efficiently approximate the inverse Jacobian matrix in the direction needed for the gradient computation. We provide a theorem that motivates using our method with the original forward algorithms. In addition, by modifying these forward algorithms, we further provide theoretical guarantees that our method asymptotically estimates the true implicit gradient. We empirically study this approach in many settings, ranging from hyperparameter optimization to large Multiscale DEQs applied to CIFAR and ImageNet. We show that it reduces the computational cost of the backward pass by up to two orders of magnitude. All this is achieved while retaining the excellent performance of the original models in hyperparameter optimization and on CIFAR, and giving encouraging and competitive results on ImageNet.


翻译:近些年来,隐含的深层学习逐渐成为一种提高深神经网络深度的方法。虽然它们的训练是记忆效率高的,但是它们的训练速度仍然大大低于其直观的对应人员。在深平衡模型(DEQs)中,培训是作为双级问题进行的,其计算复杂性部分是由于庞大的雅各布矩阵的迭接反转作用所驱动的。在本文中,我们提出了一个解决这一计算瓶颈的新战略,许多双级问题都由此而受到影响。主要想法是从前传到有效接近向梯度计算所需方向的准纽顿矩阵。我们提供了一种理论,用我们的方法用原始的前向算法来激励。此外,我们通过修改这些前向算法,我们进一步提供了理论保证,我们的方法只能对真实的隐含的梯度作出无偏移的估算。我们从超光谱优化到大型多级DEQs应用到CIFAR和图像网络网络。我们表明,它降低了后向矩阵的计算成本,同时通过最优的模型和最有竞争力的模型,在高水平上保持了最优的模型。

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