Random feature methods have been successful in various machine learning tasks, are easy to compute, and come with theoretical accuracy bounds. They serve as an alternative approach to standard neural networks since they can represent similar function spaces without a costly training phase. However, for accuracy, random feature methods require more measurements than trainable parameters, limiting their use for data-scarce applications or problems in scientific machine learning. This paper introduces the sparse random feature expansion to obtain parsimonious random feature models. Specifically, we leverage ideas from compressive sensing to generate random feature expansions with theoretical guarantees even in the data-scarce setting. In particular, we provide uniform bounds on the approximation error and generalization bounds for functions in a certain class (that is dense in a reproducing kernel Hilbert space) depending on the number of samples and the distribution of features. The error bounds improve with additional structural conditions, such as coordinate sparsity, compact clusters of the spectrum, or rapid spectral decay. In particular, by introducing sparse features, i.e. features with random sparse weights, we provide improved bounds for low order functions. We show that the sparse random feature expansions outperforms shallow networks in several scientific machine learning tasks.


翻译:随机特性方法在各种机器学习任务中是成功的,很容易计算,并且具有理论精确度。它们可以作为标准神经网络的替代方法,因为它们可以代表类似的功能空间而无需花费培训阶段。然而,为了准确性,随机特性方法需要比可训练参数更多的测量,限制其在数据偏差应用中的应用或科学机器学习中的问题。本文介绍了稀疏随机特性扩展,以获得有腐蚀性的随机特性模型。具体地说,我们利用压缩感应的观念来产生随机特性扩展,同时提供理论保证,甚至在数据刻度设置中也是如此。特别是,我们为某类(在再生内空格中密集的Hilbert空间)的功能提供了近似误差和一般化界限的统一界限,取决于样品的数量和特性的分布。错误界限随着额外的结构条件而改善,例如协调宽度、频谱的紧凑组合或快速光谱衰减。我们通过引入稀疏特性,即随机稀散重量的特征,我们为低顺序功能提供了改进的界限。我们展示了某些随机科学特性扩展网络的浅浅质结构。

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