Fine-tuning large pre-trained models is a common practice in machine learning applications, yet its mathematical analysis remains largely unexplored. In this paper, we study fine-tuning through the lens of memorization capacity. Our new measure, the Fine-Tuning Capacity (FTC), is defined as the maximum number of samples a neural network can fine-tune, or equivalently, as the minimum number of neurons ($m$) needed to arbitrarily change $N$ labels among $K$ samples considered in the fine-tuning process. In essence, FTC extends the memorization capacity concept to the fine-tuning scenario. We analyze FTC for the additive fine-tuning scenario where the fine-tuned network is defined as the summation of the frozen pre-trained network $f$ and a neural network $g$ (with $m$ neurons) designed for fine-tuning. When $g$ is a ReLU network with either 2 or 3 layers, we obtain tight upper and lower bounds on FTC; we show that $N$ samples can be fine-tuned with $m=\Theta(N)$ neurons for 2-layer networks, and with $m=\Theta(\sqrt{N})$ neurons for 3-layer networks, no matter how large $K$ is. Our results recover the known memorization capacity results when $N = K$ as a special case.


翻译:微调大型预训练模型是机器学习应用中的常见实践,但其数学分析在很大程度上仍未得到探索。本文通过存储容量的视角研究微调过程。我们提出的新度量——微调容量(FTC),定义为神经网络能够微调的最大样本数,等价于在微调过程中为任意改变$K$个样本中的$N$个标签所需的最小神经元数量($m$)。本质上,FTC将存储容量的概念扩展到了微调场景。我们分析了加法微调场景下的FTC,其中微调后的网络定义为冻结的预训练网络$f$与专为微调设计的神经网络$g$(具有$m$个神经元)之和。当$g$为具有2层或3层的ReLU网络时,我们获得了FTC的紧致上下界;研究表明,对于2层网络,$N$个样本可通过$m=\Theta(N)$个神经元进行微调;对于3层网络,则需$m=\Theta(\sqrt{N})$个神经元,且该结果与$K$的大小无关。当$N = K$时,我们的结果作为特例恢复了已知的存储容量结论。

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