This paper studies the expressive power of artificial neural networks (NNs) with rectified linear units. To study them as a model of real-valued computation, we introduce the concept of Max-Affine Arithmetic Programs and show equivalence between them and NNs concerning natural complexity measures. We then use this result to show that two fundamental combinatorial optimization problems can be solved with polynomial-size NNs, which is equivalent to the existence of very special strongly polynomial time algorithms. First, we show that for any undirected graph with $n$ nodes, there is an NN of size $\mathcal{O}(n^3)$ that takes the edge weights as input and computes the value of a minimum spanning tree of the graph. Second, we show that for any directed graph with $n$ nodes and $m$ arcs, there is an NN of size $\mathcal{O}(m^2n^2)$ that takes the arc capacities as input and computes a maximum flow. These results imply in particular that the solutions of the corresponding parametric optimization problems where all edge weights or arc capacities are free parameters can be encoded in polynomial space and evaluated in polynomial time, and that such an encoding is provided by an NN.
翻译:本文研究人造神经网络(NNs)的表达力, 其直线单位得到校正。 为了将它们作为实际计算模型来研究, 我们引入了 Max- Affine Arithmetic 程序的概念, 并显示它们和NNS在自然复杂度测量方面的等值。 然后我们用这个结果来显示, 两个基本的组合优化问题可以用多角尺寸的NNNs来解决, 这相当于存在非常特别强烈的多元时间算法。 首先, 我们显示, 对于任何使用美元节点的非方向图形, 一个大小为 $\ mathal{O} (n}3) 的NNN, 它将边缘重量作为输入, 并计算图中最小宽度树的价值。 其次, 我们显示, 对于任何使用美元节点和 $mar 弧的定向图形, 其大小为 $\ mathalcal {O} (m%2 n2) 。 我们显示, 对于任何以弧度能力为输入和计算最大流的无方向的图形, 这些结果特别表明, 边边上的分辨率的分辨率是 的任意度, 。 和 等阶中, 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 的 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度 度