The generalization of neural networks is a central challenge in machine learning, especially concerning the performance under distributions that differ from training ones. Current methods, mainly based on the data-driven paradigm such as data augmentation, adversarial training, and noise injection, may encounter limited generalization due to model non-smoothness. In this paper, we propose to investigate generalization from a Partial Differential Equation (PDE) perspective, aiming to enhance it directly through the underlying function of neural networks, rather than focusing on adjusting input data. Specifically, we first establish the connection between neural network generalization and the smoothness of the solution to a specific PDE, namely "transport equation". Building upon this, we propose a general framework that introduces adaptive distributional diffusion into transport equation to enhance the smoothness of its solution, thereby improving generalization. In the context of neural networks, we put this theoretical framework into practice as $\textbf{PDE+}$ ($\textbf{PDE}$ with $\textbf{A}$daptive $\textbf{D}$istributional $\textbf{D}$iffusion) which diffuses each sample into a distribution covering semantically similar inputs. This enables better coverage of potentially unobserved distributions in training, thus improving generalization beyond merely data-driven methods. The effectiveness of PDE+ is validated through extensive experimental settings, demonstrating its superior performance compared to SOTA methods.


翻译:神经网络泛化是机器学习中的核心挑战,尤其是在处理与训练分布不同的数据时。当前主要基于数据驱动范式的方法(如数据增强、对抗训练和噪声注入)可能因模型非光滑性而面临泛化局限性。本文从偏微分方程(PDE)视角研究泛化问题,旨在直接通过神经网络底层函数而非调整输入数据来提升泛化能力。具体而言,我们首先建立了神经网络泛化与特定PDE(即"输运方程")解的光滑性之间的关联。在此基础上,我们提出一个通用框架,通过向输运方程引入自适应分布扩散增强其解的光滑性,从而提升泛化能力。在神经网络背景下,我们将该理论框架实践为$\textbf{PDE+}$(带$\textbf{A}$自适应$\textbf{D}$分布$\textbf{D}$扩散的$\textbf{PDE}$),该方法将每个样本扩散为覆盖语义相似输入的分布。这使得模型能更好地覆盖训练中潜在未观测的分布,从而超越纯数据驱动方法实现更优泛化。通过广泛的实验设置验证了PDE+的有效性,其性能显著优于当前最优方法。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2024年2月2日
Arxiv
0+阅读 · 2024年2月2日
Arxiv
0+阅读 · 2024年2月1日
VIP会员
最新内容
《多域战场上反制小型无人机系统》150页
专知会员服务
5+阅读 · 今天7:47
战场人工智能:增强陆地作战能力的发现与要求
专知会员服务
0+阅读 · 今天7:37
以人工智能为中心的指挥控制
专知会员服务
0+阅读 · 今天7:14
《基于深度强化学习的反无人机技术研究》178页
专知会员服务
10+阅读 · 6月10日
“史诗怒火”行动与“AI中心战”模式的浮现
专知会员服务
9+阅读 · 6月10日
【CVPR2026教程】扩散模型的解析理解
专知会员服务
3+阅读 · 6月10日
马赛克战:俄乌战场透析
专知会员服务
16+阅读 · 6月10日
相关资讯
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员