We present a novel set of rigorous and computationally efficient topology-based complexity notions that exhibit a strong correlation with the generalization gap in modern deep neural networks (DNNs). DNNs show remarkable generalization properties, yet the source of these capabilities remains elusive, defying the established statistical learning theory. Recent studies have revealed that properties of training trajectories can be indicative of generalization. Building on this insight, state-of-the-art methods have leveraged the topology of these trajectories, particularly their fractal dimension, to quantify generalization. Most existing works compute this quantity by assuming continuous- or infinite-time training dynamics, complicating the development of practical estimators capable of accurately predicting generalization without access to test data. In this paper, we respect the discrete-time nature of training trajectories and investigate the underlying topological quantities that can be amenable to topological data analysis tools. This leads to a new family of reliable topological complexity measures that provably bound the generalization error, eliminating the need for restrictive geometric assumptions. These measures are computationally friendly, enabling us to propose simple yet effective algorithms for computing generalization indices. Moreover, our flexible framework can be extended to different domains, tasks, and architectures. Our experimental results demonstrate that our new complexity measures correlate highly with generalization error in industry-standards architectures such as transformers and deep graph networks. Our approach consistently outperforms existing topological bounds across a wide range of datasets, models, and optimizers, highlighting the practical relevance and effectiveness of our complexity measures.


翻译:我们提出了一套新颖的、严格且计算高效的基于拓扑的复杂度概念,这些概念与现代深度神经网络(DNNs)的泛化差距表现出强相关性。深度神经网络展现出卓越的泛化特性,但这些能力的来源仍然难以捉摸,挑战了既有的统计学习理论。最近的研究表明,训练轨迹的特性可以指示泛化能力。基于这一见解,最先进的方法利用了这些轨迹的拓扑结构,特别是其分形维数,来量化泛化。现有工作大多通过假设连续时间或无限时间的训练动态来计算此量,这阻碍了能够在不访问测试数据的情况下准确预测泛化的实用估计器的开发。在本文中,我们尊重训练轨迹的离散时间本质,并研究那些能够适用于拓扑数据分析工具的底层拓扑量。这导出了一系列新的、可靠的拓扑复杂度度量,它们可证明地界定了泛化误差,从而消除了对限制性几何假设的需求。这些度量计算友好,使我们能够提出简单而有效的算法来计算泛化指标。此外,我们灵活的框架可以扩展到不同的领域、任务和架构。我们的实验结果表明,我们的新复杂度度量与Transformer和深度图网络等行业标准架构中的泛化误差高度相关。我们的方法在广泛的数据集、模型和优化器上持续优于现有的拓扑界,凸显了我们复杂度度量的实际相关性和有效性。

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
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
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
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
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26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
3+阅读 · 2015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
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
Arxiv
31+阅读 · 2021年6月30日
Domain Representation for Knowledge Graph Embedding
Arxiv
14+阅读 · 2019年9月11日
Arxiv
19+阅读 · 2018年5月17日
Arxiv
15+阅读 · 2018年2月4日
VIP会员
最新内容
乌克兰前线的五项创新
专知会员服务
1+阅读 · 今天6:14
 军事通信系统与设备的技术演进综述
专知会员服务
1+阅读 · 今天5:59
《北约标准:医疗评估手册》174页
专知会员服务
2+阅读 · 今天5:51
《提升生成模型的安全性与保障》博士论文
专知会员服务
1+阅读 · 今天5:47
美国当前高超音速导弹发展概述
专知会员服务
4+阅读 · 4月19日
无人机蜂群建模与仿真方法
专知会员服务
10+阅读 · 4月19日
澳大利亚发布《国防战略(2026年)》
专知会员服务
5+阅读 · 4月19日
全球高超音速武器最新发展趋势
专知会员服务
4+阅读 · 4月19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
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
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
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
3+阅读 · 2015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
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
Top
微信扫码咨询专知VIP会员