Learning generic high-dimensional tasks is notably hard, as it requires a number of training data exponential in the dimension. Yet, deep convolutional neural networks (CNNs) have shown remarkable success in overcoming this challenge. A popular hypothesis is that learnable tasks are highly structured and that CNNs leverage this structure to build a low-dimensional representation of the data. However, little is known about how much training data they require, and how this number depends on the data structure. This paper answers this question for a simple classification task that seeks to capture relevant aspects of real data: the Random Hierarchy Model. In this model, each of the $n_c$ classes corresponds to $m$ synonymic compositions of high-level features, which are in turn composed of sub-features through an iterative process repeated $L$ times. We find that the number of training data $P^*$ required by deep CNNs to learn this task (i) grows asymptotically as $n_c m^L$, which is only polynomial in the input dimensionality; (ii) coincides with the training set size such that the representation of a trained network becomes invariant to exchanges of synonyms; (iii) corresponds to the number of data at which the correlations between low-level features and classes become detectable. Overall, our results indicate how deep CNNs can overcome the curse of dimensionality by building invariant representations, and provide an estimate of the number of data required to learn a task based on its hierarchically compositional structure.


翻译:学习通用高维任务尤为困难,因为所需训练数据量随维度呈指数增长。然而,深度卷积神经网络(CNN)在克服这一挑战方面展现出显著成效。一种主流假设认为,可学习任务具有高度结构性,且CNN通过利用这种结构构建数据的低维表征。但鲜有研究明确回答两个问题:它们究竟需要多少训练数据?该数量如何依赖数据本身的结构?本文针对一个试图捕捉真实数据关键特征的简单分类任务——随机层级模型——给出解答。在该模型中,$n_c$个类别各自对应$m$个同义高阶特征组合,而这些高阶特征又通过迭代过程重复$L$次由子特征逐级组合而成。我们发现,深度CNN学习此任务所需训练数据量$P^*$满足:(i)渐近增长量为$n_c m^L$,仅与输入维度呈多项式关系;(ii)与使训练网络表征对同义词替换保持不变的训练集规模一致;(iii)对应低阶特征与类别间相关性可被检测时的数据量阈值。整体而言,我们的研究揭示了深度CNN如何通过构建不变表征克服维数灾难,并基于层级组合结构为任务所需数据量提供了理论估算依据。

0
下载
关闭预览

相关内容

Networking:IFIP International Conferences on Networking。 Explanation:国际网络会议。 Publisher:IFIP。 SIT: http://dblp.uni-trier.de/db/conf/networking/index.html
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12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
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16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
13+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
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+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
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年8月28日
Arxiv
0+阅读 · 2023年8月25日
Arxiv
0+阅读 · 2023年8月25日
Arxiv
26+阅读 · 2022年1月3日
Arxiv
35+阅读 · 2021年1月27日
VIP会员
最新内容
综述 | OPSD:大语言模型的在线策略自蒸馏
专知会员服务
2+阅读 · 6月1日
帕兰蒂尔Maven:军事人工智能的新纪元
专知会员服务
6+阅读 · 6月1日
超越网格:作战环境对炮兵的影响
专知会员服务
3+阅读 · 5月31日
BES:让语言模型通过双向进化搜索自我改进
专知会员服务
6+阅读 · 5月30日
以色列-美国-伊朗战争中的无人机:关键要点
专知会员服务
7+阅读 · 5月30日
相关VIP内容
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关论文
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
13+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
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+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
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员