Deep learning succeeds by doing hierarchical feature learning, yet tuning Hyper-Parameters (HP) such as initialization scales, learning rates etc., only give indirect control over this behavior. In this paper, we propose the alignment between the feature updates and the backward pass as a key notion to predict, measure and control feature learning. On the one hand, we show that when alignment holds, the magnitude of feature updates after one SGD step is related to the magnitude of the forward and backward passes by a simple and general formula. This leads to techniques to automatically adjust HPs (initialization scales and learning rates) at initialization and throughout training to attain a desired feature learning behavior. On the other hand, we show that, at random initialization, this alignment is determined by the spectrum of a certain kernel, and that well-conditioned layer-to-layer Jacobians (aka dynamical isometry) implies alignment. Finally, we investigate ReLU MLPs and ResNets in the large width-then-depth limit. Combining hints from random matrix theory and numerical experiments, we show that (i) in MLP with iid initializations, alignment degenerates with depth, making it impossible to start training, and that (ii) in ResNets, the branch scale $1/\sqrt{\text{depth}}$ is the only one maintaining non-trivial alignment at infinite depth.


翻译:深度学习通过分层特征学习取得成功,但超参数(如初始化尺度、学习率等)的调优仅能间接控制这一过程。本文提出将特征更新与后向传播之间的对齐性作为预测、度量及控制特征学习的关键概念。一方面,当对齐性成立时,单次SGD步骤后特征更新的幅度可通过一个简洁普适的公式与前向/后向传播幅度相关联。这催生了在初始化阶段及整个训练过程中自动调整超参数(初始化尺度与学习率)以达成期望特征学习行为的技术。另一方面,我们证明随机初始化下,该对齐性由特定核的谱决定,且层间雅可比矩阵具有良好条件(即动态等距)可保证对齐性。最后,我们在大宽度-深度极限下研究了ReLU MLP与ResNet。结合随机矩阵理论提示与数值实验表明:(1)在独立同分布初始化的MLP中,对齐性随深度加深而退化,导致训练不可启动;(2)在ResNet中,分支尺度$1/\sqrt{\text{深度}}$是唯一能在无限深度下维持非平凡对齐性的选择。

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