We apply methods of topological data analysis to loss functions to gain insights on learning of deep neural networks and their generalization properties. We study global properties of the loss function gradient flow. We use topological data analysis of the loss function and its Morse complex to relate local behavior along gradient trajectories with global properties of the loss surface. We define neural network Topological Obstructions score, TO-score, with help of robust topological invariants, barcodes of loss function, that quantify the badness of local minima for gradient-based optimization. We have made several experiments for computing these invariants, for small neural networks, and for fully connected, convolutional and ResNet-like neural networks on different datasets: MNIST, Fashion MNIST, CIFAR10, SVHN. Our two principal observations are as follows. Firstly, the neural network barcode and TO-score decrease with the increase of the neural network depth and width. Secondly, there is an intriguing connection between the length of minima segments in the barcode and the minima generalization error.


翻译:我们对损失功能应用了地形数据分析方法,以深入了解深神经网络及其一般特性的学习情况。我们研究了损失函数梯度流的全球特性。我们使用损失函数及其摩斯综合体的地形数据分析方法,将梯度轨迹的当地行为与损失表面的全球特性联系起来。我们定义了神经网络地形障碍评分(to-score),在坚固的地形变异分子的帮助下,对损失函数条形码进行了计算,以量化本地微粒的坏坏处,以便进行梯度优化。我们进行了数项实验,以计算这些变异物、小神经网络、以及不同数据集上完全连接的、进化的和ResNet的神经网络:MNIST、Fashon MNIST、CIFAR10、SVHN。我们的主要观察如下:首先,神经网络条形码和原子减少与神经网络深度和宽度的增加有关。第二,在条形和微宽度差中微小段的长度与微小一般错误之间有细的连接。

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神经网络(Neural Networks)是世界上三个最古老的神经建模学会的档案期刊:国际神经网络学会(INNS)、欧洲神经网络学会(ENNS)和日本神经网络学会(JNNS)。神经网络提供了一个论坛,以发展和培育一个国际社会的学者和实践者感兴趣的所有方面的神经网络和相关方法的计算智能。神经网络欢迎高质量论文的提交,有助于全面的神经网络研究,从行为和大脑建模,学习算法,通过数学和计算分析,系统的工程和技术应用,大量使用神经网络的概念和技术。这一独特而广泛的范围促进了生物和技术研究之间的思想交流,并有助于促进对生物启发的计算智能感兴趣的跨学科社区的发展。因此,神经网络编委会代表的专家领域包括心理学,神经生物学,计算机科学,工程,数学,物理。该杂志发表文章、信件和评论以及给编辑的信件、社论、时事、软件调查和专利信息。文章发表在五个部分之一:认知科学,神经科学,学习系统,数学和计算分析、工程和应用。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/nn/
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