The use of mini-batches of data in training artificial neural networks is nowadays very common. Despite its broad usage, theories explaining quantitatively how large or small the optimal mini-batch size should be are missing. This work presents a systematic attempt at understanding the role of the mini-batch size in training two-layer neural networks. Working in the teacher-student scenario, with a sparse teacher, and focusing on tasks of different complexity, we quantify the effects of changing the mini-batch size $m$. We find that often the generalization performances of the student strongly depend on $m$ and may undergo sharp phase transitions at a critical value $m_c$, such that for $m<m_c$ the training process fails, while for $m>m_c$ the student learns perfectly or generalizes very well the teacher. Phase transitions are induced by collective phenomena firstly discovered in statistical mechanics and later observed in many fields of science. Finding a phase transition varying the mini-batch size raises several important questions on the role of a hyperparameter which have been somehow overlooked until now.


翻译:在训练人工神经网络时,使用小批量数据如今非常普遍。尽管其应用广泛,但定量解释最优小批量大小应如何选择的理论尚缺失。本工作系统性地尝试理解小批量大小在训练两层神经网络中的作用。在教师-学生场景下(教师为稀疏网络),针对不同复杂度的任务,我们量化了改变小批量大小 $m$ 的影响。我们发现,学生的泛化性能通常强烈依赖于 $m$,并可能在临界值 $m_c$ 处发生急剧的相变:当 $m<m_c$ 时,训练过程失败;而当 $m>m_c$ 时,学生能完美学习或极好地泛化教师网络。相变由统计力学中首次发现并后经多科学领域观测到的集体现象所引发。发现小批量大小变化导致的相变,提出了关于这一超参数作用的若干重要问题——这些问题迄今为止在某种程度上被忽视了。

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神经网络(Neural Networks)是世界上三个最古老的神经建模学会的档案期刊:国际神经网络学会(INNS)、欧洲神经网络学会(ENNS)和日本神经网络学会(JNNS)。神经网络提供了一个论坛,以发展和培育一个国际社会的学者和实践者感兴趣的所有方面的神经网络和相关方法的计算智能。神经网络欢迎高质量论文的提交,有助于全面的神经网络研究,从行为和大脑建模,学习算法,通过数学和计算分析,系统的工程和技术应用,大量使用神经网络的概念和技术。这一独特而广泛的范围促进了生物和技术研究之间的思想交流,并有助于促进对生物启发的计算智能感兴趣的跨学科社区的发展。因此,神经网络编委会代表的专家领域包括心理学,神经生物学,计算机科学,工程,数学,物理。该杂志发表文章、信件和评论以及给编辑的信件、社论、时事、软件调查和专利信息。文章发表在五个部分之一:认知科学,神经科学,学习系统,数学和计算分析、工程和应用。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/nn/
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