Feature learning is thought to be one of the fundamental reasons for the success of deep neural networks. It is rigorously known that in two-layer fully-connected neural networks under certain conditions, one step of gradient descent on the first layer followed by ridge regression on the second layer can lead to feature learning; characterized by the appearance of a separated rank-one component -- spike -- in the spectrum of the feature matrix. However, with a constant gradient descent step size, this spike only carries information from the linear component of the target function and therefore learning non-linear components is impossible. We show that with a learning rate that grows with the sample size, such training in fact introduces multiple rank-one components, each corresponding to a specific polynomial feature. We further prove that the limiting large-dimensional and large sample training and test errors of the updated neural networks are fully characterized by these spikes. By precisely analyzing the improvement in the training and test errors, we demonstrate that these non-linear features can enhance learning.


翻译:特征学习被认为是深度神经网络成功的基本原因之一。在特定条件下,严格已知对于两层全连接神经网络,对第一层进行一次梯度下降后对第二层进行岭回归可引发特征学习;其特征为特征矩阵谱中出现分离的秩一分量(即“尖峰”)。然而,在恒定梯度下降步长下,该尖峰仅携带目标函数线性分量的信息,因此无法学习非线性分量。我们证明,当学习率随样本量增长时,这种训练实际上会引入多个秩一分量,每个分量对应特定的多项式特征。我们进一步证明,更新后神经网络的极限大维大样本训练误差与测试误差完全由这些尖峰刻画。通过精确分析训练误差与测试误差的改进,我们证明这些非线性特征能够增强学习能力。

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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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