Equilibrium propagation (EP) is a compelling alternative to the backpropagation of error algorithm (BP) for computing gradients of neural networks on biological or analog neuromorphic substrates. Still, the algorithm requires weight symmetry and infinitesimal equilibrium perturbations, i.e., nudges, to estimate unbiased gradients efficiently. Both requirements are challenging to implement in physical systems. Yet, whether and how weight asymmetry affects its applicability is unknown because, in practice, it may be masked by biases introduced through the finite nudge. To address this question, we study generalized EP, which can be formulated without weight symmetry, and analytically isolate the two sources of bias. For complex-differentiable non-symmetric networks, we show that the finite nudge does not pose a problem, as exact derivatives can still be estimated via a Cauchy integral. In contrast, weight asymmetry introduces bias resulting in low task performance due to poor alignment of EP's neuronal error vectors compared to BP. To mitigate this issue, we present a new homeostatic objective that directly penalizes functional asymmetries of the Jacobian at the network's fixed point. This homeostatic objective dramatically improves the network's ability to solve complex tasks such as ImageNet 32x32. Our results lay the theoretical groundwork for studying and mitigating the adverse effects of imperfections of physical networks on learning algorithms that rely on the substrate's relaxation dynamics.


翻译:平衡传播(EP)是误差反向传播算法(BP)的一种有力替代方案,适用于生物或类神经形态底物上神经网络的梯度计算。然而,该算法需要权重对称性以及无限小的平衡摄动(即微扰)来高效估计无偏梯度。这两个要求在物理系统中难以实现。由于实际中有限微扰引入的偏差可能掩盖权重不对称性的影响,目前尚不清楚权重不对称性是否及如何影响其适用性。为解答这一问题,我们研究可无需权重对称性表述的广义平衡传播,并通过分析将两种偏差源分离。对于复可微的非对称网络,我们证明有限微扰不会造成问题,因为可通过柯西积分估计精确导数。相反,权重不对称性会引入偏差,导致EP的神经元误差向量与BP的对齐性差,从而降低任务性能。为缓解此问题,我们提出一种新的稳态目标函数,直接惩罚网络固定点处雅可比矩阵的功能不对称性。该稳态目标函数显著提升了网络解决复杂任务(如ImageNet 32x32)的能力。我们的结果奠定了理论研究基础,有助于理解和缓解物理网络缺陷对依赖底物松弛动力学的学习算法带来的不利影响。

0
下载
关闭预览

相关内容

Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18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
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11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
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
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5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
0+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
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
6+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年10月19日
Arxiv
0+阅读 · 2023年10月18日
Arxiv
0+阅读 · 2023年10月17日
VIP会员
最新内容
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
7+阅读 · 6月17日
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
7+阅读 · 6月17日
从燃煤战舰到算法战争:水面指挥的永恒要求
专知会员服务
6+阅读 · 6月17日
相关VIP内容
Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18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
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11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
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
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
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5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
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
0+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
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
6+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员