Modern deep neural networks have achieved impressive performance on tasks from image classification to natural language processing. Surprisingly, these complex systems with massive amounts of parameters exhibit the same structural properties in their last-layer features and classifiers across canonical datasets when training until convergence. In particular, it has been observed that the last-layer features collapse to their class-means, and those class-means are the vertices of a simplex Equiangular Tight Frame (ETF). This phenomenon is known as Neural Collapse ($\mathcal{NC}$). Recent papers have theoretically shown that $\mathcal{NC}$ emerges in the global minimizers of training problems with the simplified ``unconstrained feature model''. In this context, we take a step further and prove the $\mathcal{NC}$ occurrences in deep linear networks for the popular mean squared error (MSE) and cross entropy (CE) losses, showing that global solutions exhibit $\mathcal{NC}$ properties across the linear layers. Furthermore, we extend our study to imbalanced data for MSE loss and present the first geometric analysis of $\mathcal{NC}$ under bias-free setting. Our results demonstrate the convergence of the last-layer features and classifiers to a geometry consisting of orthogonal vectors, whose lengths depend on the amount of data in their corresponding classes. Finally, we empirically validate our theoretical analyses on synthetic and practical network architectures with both balanced and imbalanced scenarios.


翻译:现代深度神经网络在从图像分类到自然语言处理的任务中取得了令人瞩目的性能。令人惊讶的是,这些包含大量参数的复杂系统,在训练至收敛时,其最后一层特征和分类器在典型数据集上展现出相同的结构特性。具体而言,已观察到最后一层特征坍缩至其类均值,而这些类均值是等角紧框架(ETF)单形的顶点。这一现象被称为神经坍缩($\mathcal{NC}$)。近期论文从理论上表明,在简化的“无约束特征模型”下,$\mathcal{NC}$出现在训练问题的全局最小化器中。在此背景下,我们向前迈进一步,证明了在深度线性网络中,对于常用的均方误差(MSE)和交叉熵(CE)损失函数,$\mathcal{NC}$现象会发生,表明全局解在线性层间展现出$\mathcal{NC}$特性。此外,我们将研究扩展到MSE损失下的非平衡数据,并首次在无偏置设定下对$\mathcal{NC}$进行了几何分析。我们的结果展示了最后一层特征和分类器收敛到由正交向量构成的几何结构,这些向量的长度取决于其对应类别的数据量。最后,我们在合成和实际网络架构上,针对平衡和非平衡场景,通过实验验证了我们的理论分析。

0
下载
关闭预览

相关内容

专知会员服务
90+阅读 · 2021年6月29日
专知会员服务
52+阅读 · 2020年12月14日
专知会员服务
55+阅读 · 2020年9月7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
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
105+阅读 · 2019年10月9日
浅聊对比学习(Contrastive Learning)
极市平台
3+阅读 · 2022年7月26日
浅聊对比学习(Contrastive Learning)第一弹
PaperWeekly
1+阅读 · 2022年6月10日
灾难性遗忘问题新视角:迁移-干扰平衡
CreateAMind
17+阅读 · 2019年7月6日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
无监督元学习表示学习
CreateAMind
27+阅读 · 2019年1月4日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
【SIGIR2018】五篇对抗训练文章
专知
12+阅读 · 2018年7月9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
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
2+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
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
8+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年5月19日
Arxiv
24+阅读 · 2021年3月4日
Arxiv
11+阅读 · 2018年3月23日
VIP会员
最新内容
BES:让语言模型通过双向进化搜索自我改进
专知会员服务
1+阅读 · 5月30日
以色列-美国-伊朗战争中的无人机:关键要点
专知会员服务
3+阅读 · 5月30日
《Palantir任务保障性软件安全标准(MA-S2)》
专知会员服务
8+阅读 · 5月30日
基于声学的无人机检测技术综述
专知会员服务
5+阅读 · 5月30日
《当代混合战争分析框架:俄乌战争经验教训》
战略前沿人工智能的再思考(中文)
专知会员服务
7+阅读 · 5月29日
《量化地基防空系统间接效应的博弈论方法》
专知会员服务
5+阅读 · 5月29日
相关VIP内容
专知会员服务
90+阅读 · 2021年6月29日
专知会员服务
52+阅读 · 2020年12月14日
专知会员服务
55+阅读 · 2020年9月7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
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
105+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
浅聊对比学习(Contrastive Learning)
极市平台
3+阅读 · 2022年7月26日
浅聊对比学习(Contrastive Learning)第一弹
PaperWeekly
1+阅读 · 2022年6月10日
灾难性遗忘问题新视角:迁移-干扰平衡
CreateAMind
17+阅读 · 2019年7月6日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
无监督元学习表示学习
CreateAMind
27+阅读 · 2019年1月4日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
【SIGIR2018】五篇对抗训练文章
专知
12+阅读 · 2018年7月9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
相关基金
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
2+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
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
8+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员