We study the generalization of two-layer ReLU neural networks in a univariate nonparametric regression problem with noisy labels. This is a problem where kernels (\emph{e.g.} NTK) are provably sub-optimal and benign overfitting does not happen, thus disqualifying existing theory for interpolating (0-loss, global optimal) solutions. We present a new theory of generalization for local minima that gradient descent with a constant learning rate can \emph{stably} converge to. We show that gradient descent with a fixed learning rate $\eta$ can only find local minima that represent smooth functions with a certain weighted \emph{first order total variation} bounded by $1/\eta - 1/2 + \widetilde{O}(\sigma + \sqrt{\mathrm{MSE}})$ where $\sigma$ is the label noise level, $\mathrm{MSE}$ is short for mean squared error against the ground truth, and $\widetilde{O}(\cdot)$ hides a logarithmic factor. Under mild assumptions, we also prove a nearly-optimal MSE bound of $\widetilde{O}(n^{-4/5})$ within the strict interior of the support of the $n$ data points. Our theoretical results are validated by extensive simulation that demonstrates large learning rate training induces sparse linear spline fits. To the best of our knowledge, we are the first to obtain generalization bound via minima stability in the non-interpolation case and the first to show ReLU NNs without regularization can achieve near-optimal rates in nonparametric regression.


翻译:我们研究带噪声标签的单变量非参数回归问题中两层ReLU神经网络的泛化性能。在该问题中,核方法(例如NTK)被证明是次优的,且良性过拟合现象不会发生,这使得现有针对插值(零损失、全局最优)解的理论不再适用。我们提出了一种关于梯度下降法以恒定学习率能够稳定收敛到的局部极小值的新泛化理论。我们证明,采用固定学习率$\eta$的梯度下降法只能找到表示平滑函数的局部极小值,其加权一阶全变差受限于$1/\eta - 1/2 + \widetilde{O}(\sigma + \sqrt{\mathrm{MSE}})$,其中$\sigma$为标签噪声水平,$\mathrm{MSE}$表示相对于真实值的均方误差,$\widetilde{O}(\cdot)$隐藏了对数因子。在温和假设下,我们还在$n$个数据点支撑集的严格内部证明了近乎最优的$\widetilde{O}(n^{-4/5})$均方误差界。我们的理论结果通过大量仿真得到验证,这些仿真表明大学习率训练会诱导稀疏的线性样条拟合。据我们所知,我们首次在非插值情形下通过极小值稳定性获得泛化界,并首次证明无正则化的ReLU神经网络能够在非参数回归中达到接近最优的收敛速率。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
35+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
61+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
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
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2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
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
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
47+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
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
2+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
11+阅读 · 2022年3月16日
VIP会员
最新内容
人工智能与未来空战管理
专知会员服务
0+阅读 · 19分钟前
机器的崛起:美海军陆战队组建机器人营思考
专知会员服务
8+阅读 · 9月8日
无面之战:人工智能如何重绘权力版图
专知会员服务
5+阅读 · 9月8日
《最强大的军事网状网络》
专知会员服务
9+阅读 · 9月7日
《预测陆军征兵任务分配》110页
专知会员服务
7+阅读 · 9月7日
相关VIP内容
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
35+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
61+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
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
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2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
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
相关基金
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
47+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
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
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员