Structured sparsity regularization offers a principled way to compact neural networks, but its non-differentiability breaks compatibility with conventional stochastic gradient descent and requires either specialized optimizers or additional post-hoc pruning without formal guarantees. In this work, we propose $D$-Gating, a fully differentiable structured overparameterization that splits each group of weights into a primary weight vector and multiple scalar gating factors. We prove that any local minimum under $D$-Gating is also a local minimum using non-smooth structured $L_{2,2/D}$ penalization, and further show that the $D$-Gating objective converges at least exponentially fast to the $L_{2,2/D}$-regularized loss in the gradient flow limit. Together, our results show that $D$-Gating is theoretically equivalent to solving the original group sparsity problem, yet induces distinct learning dynamics that evolve from a non-sparse regime into sparse optimization. We validate our theory across vision, language, and tabular tasks, where $D$-Gating consistently delivers strong performance-sparsity tradeoffs and outperforms both direct optimization of structured penalties and conventional pruning baselines.


翻译:结构化稀疏正则化为压缩神经网络提供了一种原理性方法,但其不可微性使其与传统的随机梯度下降不兼容,需要专门的优化器或额外的后剪枝步骤,且缺乏形式化保证。本文提出$D$-门控,一种完全可微的结构化过参数化方法,将每组权重拆分为一个主权重向量和多个标量门控因子。我们证明,在$D$-门控下的任何局部极小值也是使用非光滑结构化$L_{2,2/D}$惩罚的局部极小值,并进一步证明在梯度流极限下,$D$-门控目标函数至少以指数速度收敛到$L_{2,2/D}$正则化损失。综合来看,我们的结果表明$D$-门控在理论上等价于求解原始分组稀疏问题,同时诱导了从非稀疏状态演化为稀疏优化的独特学习动态。我们在视觉、语言和表格任务中验证了理论,$D$-门控始终展现出优异的性能-稀疏度权衡,且优于直接优化结构化惩罚和传统剪枝基线方法。

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