Multi-index models -- functions which only depend on the covariates through a non-linear transformation of their projection on a subspace -- are a useful benchmark for investigating feature learning with neural networks. This paper examines the theoretical boundaries of learnability in this hypothesis class, focusing particularly on the minimum sample complexity required for weakly recovering their low-dimensional structure with first-order iterative algorithms, in the high-dimensional regime where the number of samples is $n=\alpha d$ is proportional to the covariate dimension $d$. Our findings unfold in three parts: (i) first, we identify under which conditions a \textit{trivial subspace} can be learned with a single step of a first-order algorithm for any $\alpha\!>\!0$; (ii) second, in the case where the trivial subspace is empty, we provide necessary and sufficient conditions for the existence of an {\it easy subspace} consisting of directions that can be learned only above a certain sample complexity $\alpha\!>\!\alpha_c$. The critical threshold $\alpha_{c}$ marks the presence of a computational phase transition, in the sense that no efficient iterative algorithm can succeed for $\alpha\!<\!\alpha_c$. In a limited but interesting set of really hard directions -- akin to the parity problem -- $\alpha_c$ is found to diverge. Finally, (iii) we demonstrate that interactions between different directions can result in an intricate hierarchical learning phenomenon, where some directions can be learned sequentially when coupled to easier ones. Our analytical approach is built on the optimality of approximate message-passing algorithms among first-order iterative methods, delineating the fundamental learnability limit across a broad spectrum of algorithms, including neural networks trained with gradient descent.


翻译:多指标模型——即仅通过协变量在其子空间上投影的非线性变换而依赖于协变量的函数——是研究神经网络特征学习的有用基准。本文考察了该假设类中可学习性的理论边界,重点关注在高维体系下(样本数 $n=\alpha d$ 与协变量维度 $d$ 成正比时),使用一阶迭代算法弱恢复其低维结构所需的最小样本复杂度。我们的研究结果分为三个部分:(i) 首先,我们确定了在何种条件下,对于任意 $\alpha\!>\!0$,可以通过一阶算法的单步学习到一个\textit{平凡子空间};(ii) 其次,在平凡子空间为空的情况下,我们给出了存在一个{\it 易学习子空间}(该子空间包含仅在样本复杂度超过某个阈值 $\alpha\!>\!\alpha_c$ 时才能被学习的方向)的充分必要条件。临界阈值 $\alpha_{c}$ 标志着一个计算相变的存在,即当 $\alpha\!<\!\alpha_c$ 时,任何高效的迭代算法都无法成功。在一组有限但有趣的真正困难方向(类似于奇偶校验问题)上,我们发现 $\alpha_c$ 会发散。最后,(iii) 我们证明了不同方向之间的相互作用可能导致一种复杂的层级学习现象,即某些方向在与更易学习的方向耦合时可以被顺序学习。我们的分析方法建立在近似消息传递算法在一阶迭代方法中的最优性之上,从而划定了包括梯度下降训练的神经网络在内的广泛算法类别的基本可学习性极限。

0
下载
关闭预览

相关内容

【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6日
专知会员服务
55+阅读 · 2020年3月16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
基于深度元学习的因果推断新方法
图与推荐
12+阅读 · 2020年7月21日
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
利用动态深度学习预测金融时间序列基于Python
量化投资与机器学习
18+阅读 · 2018年10月30日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17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
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
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
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 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
AgentOps综述:智能体系统运维框架
专知会员服务
0+阅读 · 今天15:30
《美陆军最新条令:兵力防护》
专知会员服务
2+阅读 · 今天14:43
《人工智能的挑战:算法战的想象与现实》
专知会员服务
2+阅读 · 今天14:26
首场人工智能战争:Maven如何重塑武装冲突
专知会员服务
3+阅读 · 今天14:12
《通往人工通用智能之路上的均衡策略》
专知会员服务
7+阅读 · 6月3日
《Palantir的科技生态系统》
专知会员服务
17+阅读 · 6月2日
相关资讯
基于深度元学习的因果推断新方法
图与推荐
12+阅读 · 2020年7月21日
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
利用动态深度学习预测金融时间序列基于Python
量化投资与机器学习
18+阅读 · 2018年10月30日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17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
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
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
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 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员