In this paper, we contend that a natural objective of representation learning is to compress and transform the distribution of the data, say sets of tokens, towards a low-dimensional Gaussian mixture supported on incoherent subspaces. The goodness of such a representation can be evaluated by a principled measure, called sparse rate reduction, that simultaneously maximizes the intrinsic information gain and extrinsic sparsity of the learned representation. From this perspective, popular deep network architectures, including transformers, can be viewed as realizing iterative schemes to optimize this measure. Particularly, we derive a transformer block from alternating optimization on parts of this objective: the multi-head self-attention operator compresses the representation by implementing an approximate gradient descent step on the coding rate of the features, and the subsequent multi-layer perceptron sparsifies the features. This leads to a family of white-box transformer-like deep network architectures, named CRATE, which are mathematically fully interpretable. We show, by way of a novel connection between denoising and compression, that the inverse to the aforementioned compressive encoding can be realized by the same class of CRATE architectures. Thus, the so-derived white-box architectures are universal to both encoders and decoders. Experiments show that these networks, despite their simplicity, indeed learn to compress and sparsify representations of large-scale real-world image and text datasets, and achieve performance very close to highly engineered transformer-based models: ViT, MAE, DINO, BERT, and GPT2. We believe the proposed computational framework demonstrates great potential in bridging the gap between theory and practice of deep learning, from a unified perspective of data compression. Code is available at: https://ma-lab-berkeley.github.io/CRATE .


翻译:本文认为,表示学习的自然目标是压缩并转换数据分布(如标记集合),使其成为支撑在不相交子空间上的低维高斯混合。这种表示的质量可通过一个称为稀疏率压缩(sparse rate reduction)的原则性指标来评估,该指标同时最大化学习表示的内在信息增益和外在稀疏性。从这一视角出发,流行的深度网络架构(包括Transformer)可视为实现该目标度量优化迭代方案的具体化。特别地,我们通过对该目标的部分进行交替优化推导出Transformer模块:多头自注意力机制通过对特征编码率执行近似梯度下降步骤来压缩表示,而随后的多层感知机则对特征进行稀疏化。由此产生了一类数学上完全可解释的白盒类Transformer深度网络架构,命名为CRATE。通过去噪与压缩之间的新颖联系,我们证明前述压缩编码的逆过程可由相同架构类别的CRATE实现。因此,所推导出的白盒架构对编码器和解码器均具有通用性。实验表明,尽管这些网络结构简洁,但它们确实能够学习压缩并稀疏化大规模真实世界图像和文本数据集的表示,其性能与高度工程化的Transformer模型(ViT、MAE、DINO、BERT、GPT2)非常接近。我们相信,所提出的计算框架从数据压缩的统一视角,在弥合深度学习理论与实践差距方面展现出巨大潜力。代码开源地址:https://ma-lab-berkeley.github.io/CRATE

0
下载
关闭预览

相关内容

白盒测试(也称为透明盒测试,玻璃盒测试,透明盒测试和结构测试)是一种软件测试方法,用于测试应用程序的内部结构或功能,而不是其功能(即黑盒测试)。在白盒测试中,系统的内部视角以及编程技能被用来设计测试用例。测试人员选择输入以遍历代码的路径并确定预期的输出。这类似于测试电路中的节点,在线测试(ICT)。白盒测试可以应用于软件测试过程的单元,集成和系统级别。尽管传统的测试人员倾向于将白盒测试视为在单元级别进行的,但如今它已越来越频繁地用于集成和系统测试。它可以测试单元内的路径,集成期间单元之间的路径以及系统级测试期间子系统之间的路径。
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
【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
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
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
论文浅尝 | Improved Neural Relation Detection for KBQA
开放知识图谱
13+阅读 · 2018年1月21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
2+阅读 · 2017年12月31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
1+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
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
16+阅读 · 2022年11月1日
Arxiv
33+阅读 · 2021年3月8日
Arxiv
23+阅读 · 2018年10月1日
Arxiv
11+阅读 · 2018年7月8日
VIP会员
最新内容
ICML 2026|ECA:面向开放式图文生成的高效持续对齐
俄乌战场地面机器人如何改写战争规则
专知会员服务
3+阅读 · 今天13:58
《无人水面艇文献综述与结构设计》135页
专知会员服务
10+阅读 · 6月13日
乌克兰战场背后的新武器
专知会员服务
7+阅读 · 6月12日
基于博弈论的陆军人机协同(长文报告)
专知会员服务
13+阅读 · 6月12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
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
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
论文浅尝 | Improved Neural Relation Detection for KBQA
开放知识图谱
13+阅读 · 2018年1月21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
2+阅读 · 2017年12月31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
1+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
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员