Understanding when the noise in stochastic gradient descent (SGD) affects generalization of deep neural networks remains a challenge, complicated by the fact that networks can operate in distinct training regimes. Here we study how the magnitude of this noise $T$ affects performance as the size of the training set $P$ and the scale of initialization $\alpha$ are varied. For gradient descent, $\alpha$ is a key parameter that controls if the network is `lazy' ($\alpha\gg 1$) or instead learns features ($\alpha\ll 1$). For classification of MNIST and CIFAR10 images, our central results are: (i) obtaining phase diagrams for performance in the $(\alpha,T)$ plane. They show that SGD noise can be detrimental or instead useful depending on the training regime. Moreover, although increasing $T$ or decreasing $\alpha$ both allow the net to escape the lazy regime, these changes can have opposite effects on performance. (ii) Most importantly, we find that key dynamical quantities (including the total variations of weights during training) depend on both $T$ and $P$ as power laws, and the characteristic temperature $T_c$, where the noise of SGD starts affecting performance, is a power law of $P$. These observations indicate that a key effect of SGD noise occurs late in training, by affecting the stopping process whereby all data are fitted. We argue that due to SGD noise, nets must develop a stronger `signal', i.e. larger informative weights, to fit the data, leading to a longer training time. The same effect occurs at larger training set $P$. We confirm this view in the perceptron model, where signal and noise can be precisely measured. Interestingly, exponents characterizing the effect of SGD depend on the density of data near the decision boundary, as we explain.


翻译:理解随机梯度下降(SGD)中的噪声何时影响深度神经网络的泛化能力仍是一个挑战,其复杂性源于网络可在不同训练机制下运行。本文研究了当训练集规模$P$与初始化尺度$\alpha$变化时,该噪声大小$T$对性能的影响。对于梯度下降而言,$\alpha$是控制网络处于“惰性”态($\alpha\gg 1$)或特征学习态($\alpha\ll 1$)的关键参数。针对MNIST和CIFAR10图像分类任务,我们的核心发现如下:(i)获得了$(\alpha,T)$平面内的性能相图,表明SGD噪声的损害或助益作用取决于训练机制。此外,尽管增大$T$或减小$\alpha$均能使网络逃离惰性态,但这些变化对性能的影响可能相反。(ii)最重要的是,我们发现关键动力学量(包括训练期间权重的总变差)随$T$和$P$呈幂律变化,且SGD噪声开始影响性能的特征温度$T_c$是$P$的幂律函数。这些现象表明,SGD噪声的关键效应发生在训练后期——通过影响拟合所有数据的停止过程。我们论证:由于SGD噪声的存在,网络必须形成更强的“信号”(即更大的信息性权重)以拟合数据,从而导致更长的训练时间。更大的训练集$P$也会引发相同效应。我们在感知机模型中验证了这一观点——该模型可精确测量信号与噪声。有趣的是,SGD效应的特征指数取决于决策边界附近的数据密度(这一点已由我们阐明)。

0
下载
关闭预览

相关内容

不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
因果图,Causal Graphs,52页ppt
专知会员服务
254+阅读 · 2020年4月19日
专知会员服务
162+阅读 · 2020年1月16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
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
105+阅读 · 2019年10月9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
VCIP 2022 Call for Special Session Proposals
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年4月1日
ACM MM 2022 Call for Papers
CCF多媒体专委会
5+阅读 · 2022年3月29日
灾难性遗忘问题新视角:迁移-干扰平衡
CreateAMind
17+阅读 · 2019年7月6日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
深度自进化聚类:Deep Self-Evolution Clustering
我爱读PAMI
15+阅读 · 2019年4月13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
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12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
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年3月20日
Arxiv
66+阅读 · 2021年6月18日
Arxiv
49+阅读 · 2021年5月9日
VIP会员
最新内容
ICML 2026 | CFPO:用反事实策略优化提升多模态推理
专知会员服务
1+阅读 · 今天14:45
综述 | 世界动作模型:少做梦,多行动
专知会员服务
1+阅读 · 今天14:43
美以伊冲突:无人机与人工智能的运用
专知会员服务
3+阅读 · 今天14:31
《特种部队在透明战场中的生存力》最新报告
专知会员服务
2+阅读 · 今天14:11
《人工智能生成的零日漏洞:对未来作战的影响》
综述 | 3D场景图:开放挑战与未来方向
专知会员服务
8+阅读 · 6月22日
21世纪的无人机战争
专知会员服务
4+阅读 · 6月22日
《量子技术的军事任务技术适配与利用》
专知会员服务
5+阅读 · 6月22日
相关VIP内容
不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
因果图,Causal Graphs,52页ppt
专知会员服务
254+阅读 · 2020年4月19日
专知会员服务
162+阅读 · 2020年1月16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
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
105+阅读 · 2019年10月9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
相关资讯
VCIP 2022 Call for Special Session Proposals
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年4月1日
ACM MM 2022 Call for Papers
CCF多媒体专委会
5+阅读 · 2022年3月29日
灾难性遗忘问题新视角:迁移-干扰平衡
CreateAMind
17+阅读 · 2019年7月6日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
深度自进化聚类:Deep Self-Evolution Clustering
我爱读PAMI
15+阅读 · 2019年4月13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
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
相关基金
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
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员