Unraveling the reasons behind the remarkable success and exceptional generalization capabilities of deep neural networks presents a formidable challenge. Recent insights from random matrix theory, specifically those concerning the spectral analysis of weight matrices in deep neural networks, offer valuable clues to address this issue. A key finding indicates that the generalization performance of a neural network is associated with the degree of heavy tails in the spectrum of its weight matrices. To capitalize on this discovery, we introduce a novel regularization technique, termed Heavy-Tailed Regularization, which explicitly promotes a more heavy-tailed spectrum in the weight matrix through regularization. Firstly, we employ the Weighted Alpha and Stable Rank as penalty terms, both of which are differentiable, enabling the direct calculation of their gradients. To circumvent over-regularization, we introduce two variations of the penalty function. Then, adopting a Bayesian statistics perspective and leveraging knowledge from random matrices, we develop two novel heavy-tailed regularization methods, utilizing Powerlaw distribution and Frechet distribution as priors for the global spectrum and maximum eigenvalues, respectively. We empirically show that heavytailed regularization outperforms conventional regularization techniques in terms of generalization performance.


翻译:揭示深度神经网络卓越成功与非凡泛化能力背后的原因是一项艰巨挑战。近期随机矩阵理论的研究进展,特别是关于深度神经网络权重矩阵谱分析的发现,为破解这一难题提供了宝贵线索。关键结果表明,神经网络泛化性能与其权重矩阵谱的重尾程度存在关联。为利用这一发现,我们提出一种名为重尾正则化的新型正则化技术,通过显式促进权重矩阵谱呈现更强的重尾特性来实现。首先,我们采用加权α指数和稳定秩作为惩罚项,二者均为可微函数,可直接计算其梯度。为避免过度正则化,我们引入两种惩罚函数变体。随后,从贝叶斯统计视角出发,结合随机矩阵理论成果,我们开发了两种新型重尾正则化方法,分别采用幂律分布和弗雷歇分布作为全局谱与最大特征值的先验分布。实验证明,重尾正则化在泛化性能上优于传统正则化技术。

0
下载
关闭预览

相关内容

在数学,统计学和计算机科学中,尤其是在机器学习和逆问题中,正则化是添加信息以解决不适定问题或防止过度拟合的过程。 正则化适用于不适定的优化问题中的目标函数。
神经常微分方程教程,50页ppt,A brief tutorial on Neural ODEs
专知会员服务
74+阅读 · 2020年8月2日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17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
深度自进化聚类:Deep Self-Evolution Clustering
我爱读PAMI
15+阅读 · 2019年4月13日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18日
无监督元学习表示学习
CreateAMind
27+阅读 · 2019年1月4日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8日
【推荐】SVM实例教程
机器学习研究会
17+阅读 · 2017年8月26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 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2008年12月31日
Arxiv
54+阅读 · 2022年1月1日
VIP会员
最新内容
驱动军事决策变革的顶尖人工智能指挥系统
专知会员服务
3+阅读 · 今天13:50
非对称防御中的自组织临界性:俄乌战争
专知会员服务
9+阅读 · 8月10日
《战争中的大语言模型监管》
专知会员服务
11+阅读 · 8月10日
《边缘计算关键技术分析及美军作战实践应用》
边缘计算的军事应用
专知会员服务
11+阅读 · 8月9日
一种考虑资源机动性的武器目标分配混合算法
专知会员服务
13+阅读 · 8月8日
相关VIP内容
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
深度自进化聚类:Deep Self-Evolution Clustering
我爱读PAMI
15+阅读 · 2019年4月13日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18日
无监督元学习表示学习
CreateAMind
27+阅读 · 2019年1月4日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8日
【推荐】SVM实例教程
机器学习研究会
17+阅读 · 2017年8月26日
相关基金
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 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2008年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员