Neural networks with piecewise linear activation functions, such as rectified linear units (ReLU) or maxout, are among the most fundamental models in modern machine learning. We make a step towards proving lower bounds on the size of such neural networks by linking their representative capabilities to the notion of the extension complexity $\mathrm{xc}(P)$ of a polytope $P$. This is a well-studied quantity in combinatorial optimization and polyhedral geometry describing the number of inequalities needed to model $P$ as a linear program. We show that $\mathrm{xc}(P)$ is a lower bound on the size of any monotone or input-convex neural network that solves the linear optimization problem over $P$. This implies exponential lower bounds on such neural networks for a variety of problems, including the polynomially solvable maximum weight matching problem. In an attempt to prove similar bounds also for general neural networks, we introduce the notion of virtual extension complexity $\mathrm{vxc}(P)$, which generalizes $\mathrm{xc}(P)$ and describes the number of inequalities needed to represent the linear optimization problem over $P$ as a difference of two linear programs. We prove that $\mathrm{vxc}(P)$ is a lower bound on the size of any neural network that optimizes over $P$. While it remains an open question to derive useful lower bounds on $\mathrm{vxc}(P)$, we argue that this quantity deserves to be studied independently from neural networks by proving that one can efficiently optimize over a polytope $P$ given a virtual extended formulation with small encoding size.


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神经网络(Neural Networks)是世界上三个最古老的神经建模学会的档案期刊:国际神经网络学会(INNS)、欧洲神经网络学会(ENNS)和日本神经网络学会(JNNS)。神经网络提供了一个论坛,以发展和培育一个国际社会的学者和实践者感兴趣的所有方面的神经网络和相关方法的计算智能。神经网络欢迎高质量论文的提交,有助于全面的神经网络研究,从行为和大脑建模,学习算法,通过数学和计算分析,系统的工程和技术应用,大量使用神经网络的概念和技术。这一独特而广泛的范围促进了生物和技术研究之间的思想交流,并有助于促进对生物启发的计算智能感兴趣的跨学科社区的发展。因此,神经网络编委会代表的专家领域包括心理学,神经生物学,计算机科学,工程,数学,物理。该杂志发表文章、信件和评论以及给编辑的信件、社论、时事、软件调查和专利信息。文章发表在五个部分之一:认知科学,神经科学,学习系统,数学和计算分析、工程和应用。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/nn/
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