We consider dense, associative neural-networks trained by a teacher (i.e., with supervision) and we investigate their computational capabilities analytically, via statistical-mechanics of spin glasses, and numerically, via Monte Carlo simulations. In particular, we obtain a phase diagram summarizing their performance as a function of the control parameters such as quality and quantity of the training dataset, network storage and noise, that is valid in the limit of large network size and structureless datasets: these networks may work in a ultra-storage regime (where they can handle a huge amount of patterns, if compared with shallow neural networks) or in a ultra-detection regime (where they can perform pattern recognition at prohibitive signal-to-noise ratios, if compared with shallow neural networks). Guided by the random theory as a reference framework, we also test numerically learning, storing and retrieval capabilities shown by these networks on structured datasets as MNist and Fashion MNist. As technical remarks, from the analytic side, we implement large deviations and stability analysis within Guerra's interpolation to tackle the not-Gaussian distributions involved in the post-synaptic potentials while, from the computational counterpart, we insert Plefka approximation in the Monte Carlo scheme, to speed up the evaluation of the synaptic tensors, overall obtaining a novel and broad approach to investigate supervised learning in neural networks, beyond the shallow limit, in general.


翻译:我们考虑由教师训练(即监督学习)的密集关联神经网络,并通过自旋玻璃的统计力学从解析角度以及蒙特卡洛模拟从数值角度研究其计算能力。特别地,我们获得了总结其性能的相图,该相图作为训练数据集质量与数量、网络存储容量和噪声等控制参数的函数,在大网络规模和无结构数据集的极限下成立:这些网络可工作在超存储机制(与浅层神经网络相比,能处理海量模式)或超检测机制(与浅层神经网络相比,能在禁止性信噪比下完成模式识别)。以随机理论作为参考框架,我们还数值测试了这些网络在结构化数据集(如MNist和Fashion MNist)上的学习、存储和检索能力。作为技术要点,从解析层面,我们在Guerra插值中实现大偏差和稳定性分析,以处理突触后电位中涉及的非高斯分布;从计算层面,我们在蒙特卡洛方案中引入Plefka近似以加速突触张量评估,总体而言获得了一种新颖且广泛的方法,用于在一般条件下超越浅层极限研究神经网络中的监督学习。

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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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