Data augmentation is a widely used technique and an essential ingredient in the recent advance in self-supervised representation learning. By preserving the similarity between augmented data, the resulting data representation can improve various downstream analyses and achieve state-of-the-art performance in many applications. Despite the empirical effectiveness, most existing methods lack theoretical understanding under a general nonlinear setting. To fill this gap, we develop a statistical framework on a low-dimension product manifold to model the data augmentation transformation. Under this framework, we introduce a new representation learning method called augmentation invariant manifold learning and design a computationally efficient algorithm by reformulating it as a stochastic optimization problem. Compared with existing self-supervised methods, the new method simultaneously exploits the manifold's geometric structure and invariant property of augmented data and has an explicit theoretical guarantee. Our theoretical investigation characterizes the role of data augmentation in the proposed method and reveals why and how the data representation learned from augmented data can improve the $k$-nearest neighbor classifier in the downstream analysis, showing that a more complex data augmentation leads to more improvement in downstream analysis. Finally, numerical experiments on simulated and real datasets are presented to demonstrate the merit of the proposed method.


翻译:数据增强是一种广泛应用的技术,也是近期自监督表示学习进展中的关键要素。通过保持增强数据间的相似性,所得到的数据表示能够提升多种下游分析任务,并在众多应用中达到最先进性能。尽管在实证层面效果显著,但现有方法大多缺乏一般非线性设定下的理论理解。为填补这一空白,我们在低维乘积流形上构建了一个统计框架来建模数据增强变换。在该框架下,我们提出了一种名为“增广不变流形学习”的新型表示学习方法,并通过将其重构为随机优化问题设计了高效的计算算法。与现有自监督方法相比,新方法同时利用了流形的几何结构与增强数据的不变性,并具备明确的理论保证。我们的理论分析刻画了数据增强在该方法中的作用,揭示了为何以及如何通过增强数据学习到的表示能提升下游分析中的$k$近邻分类器性能:更复杂的数据增强将带来更显著的下游分析改进。最后,在模拟与真实数据集上的数值实验验证了所提方法的优越性。

0
下载
关闭预览

相关内容

Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
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
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11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
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
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
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12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
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25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
2+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1月18日
Arxiv
0+阅读 · 2024年1月17日
Arxiv
0+阅读 · 2024年1月15日
Arxiv
0+阅读 · 2024年1月14日
Where Quantum Complexity Helps Classical Complexity
Arxiv
0+阅读 · 2024年1月13日
Arxiv
12+阅读 · 2023年5月22日
Arxiv
12+阅读 · 2020年12月10日
Arxiv
45+阅读 · 2019年12月20日
Arxiv
12+阅读 · 2019年2月26日
Simplifying Graph Convolutional Networks
Arxiv
12+阅读 · 2019年2月19日
VIP会员
最新内容
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
6+阅读 · 6月17日
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
7+阅读 · 6月17日
从燃煤战舰到算法战争:水面指挥的永恒要求
专知会员服务
4+阅读 · 6月17日
相关VIP内容
Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
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
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11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
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
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
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12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
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25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
相关论文
Arxiv
0+阅读 · 2024年1月18日
Arxiv
0+阅读 · 2024年1月17日
Arxiv
0+阅读 · 2024年1月15日
Arxiv
0+阅读 · 2024年1月14日
Where Quantum Complexity Helps Classical Complexity
Arxiv
0+阅读 · 2024年1月13日
Arxiv
12+阅读 · 2023年5月22日
Arxiv
12+阅读 · 2020年12月10日
Arxiv
45+阅读 · 2019年12月20日
Arxiv
12+阅读 · 2019年2月26日
Simplifying Graph Convolutional Networks
Arxiv
12+阅读 · 2019年2月19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
2+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