Population-based learning paradigms, including evolutionary strategies, Population-Based Training (PBT), and recent model-merging methods, combine fast within-model optimisation with slower population-level adaptation. Despite their empirical success, a general mathematical description of the resulting collective training dynamics remains incomplete. We introduce a theoretical framework for neural network training based on two-time-scale population dynamics. We model a population of neural networks as an interacting agent system in which network parameters evolve through fast noisy gradient updates of SGD/Langevin type, while hyperparameters evolve through slower selection--mutation dynamics. We prove the large-population limit for the joint distribution of parameters and hyperparameters and, under strong time-scale separation, derive a selection--mutation equation for the hyperparameter density. For each fixed hyperparameter, the fast parameter dynamics relaxes to a Boltzmann--Gibbs measure, inducing an effective fitness for the slow evolution. The averaged dynamics connects population-based learning with bilevel optimisation and classical replicator--mutator models, yields conditions under which the population mean moves toward the fittest hyperparameter, and clarifies the role of noise and diversity in balancing optimisation and exploration. Numerical experiments illustrate both the large-population regime and the reduced two-time-scale dynamics, and indicate that access to the effective fitness, either in closed form or through population-level estimation, can improve population-level updates.


翻译:基于群体的学习范式,包括进化策略、群体训练(PBT)及近期提出的模型合并方法,将快速的模型内优化与较慢的群体层面自适应相结合。尽管这些方法在经验上取得了成功,但其产生的集体训练动态过程仍缺乏通用的数学描述。我们基于双时间尺度群体动力学,提出了一种神经网络训练的理论框架。我们将神经网络群体建模为一个相互作用的智能体系统,其中网络参数通过SGD/朗之万型的快速含噪梯度更新演化,而超参数则通过较慢的选择-突变动力学演化。我们证明了参数与超参数联合分布在群体规模趋于无穷时的极限,并在强时间尺度分离条件下推导出超参数密度的选择-突变方程。对于每个固定超参数,快速的参数动力学松弛为玻尔兹曼-吉布斯测度,从而为慢速演化引入了有效适应度。该平均化动力学将基于群体的学习与双层优化及经典的复制子-突变子模型联系起来,给出了群体均值向最优超参数移动的条件,并阐明了噪声与多样性在平衡优化与探索中的作用。数值实验验证了大规模群体行为与降阶的双时间尺度动力学,表明通过闭式解或群体级估计获取有效适应度,可改善群体层面的更新策略。

0
下载
关闭预览

相关内容

Nature:大脑中的多时间尺度强化学习
专知会员服务
18+阅读 · 2025年6月8日
浅谈主动学习(Active Learning)
凡人机器学习
32+阅读 · 2020年6月18日
群体智能:新一代人工智能的重要方向
走向智能论坛
12+阅读 · 2017年8月16日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2016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
5+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+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
6+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
18+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
17+阅读 · 2008年12月31日
VIP会员
相关主题
最新内容
无人机自主控制与人工智能:系统性综述
专知会员服务
8+阅读 · 今天7:25
巡飞弹与反无人机系统——现代战场的两大支柱
专知会员服务
3+阅读 · 今天6:54
《打造“黄金舰队”》57页报告
专知会员服务
2+阅读 · 今天6:52
《北约数字教官网络发展路径》128页报告
专知会员服务
2+阅读 · 今天6:33
ECCV 2026 | MIMFlow:MIM与归一化流统一图像生成
专知会员服务
7+阅读 · 6月25日
网状网络及其在军事领域的运用
专知会员服务
7+阅读 · 6月25日
无美国参与的欧洲战争方式(万字长文)
专知会员服务
8+阅读 · 6月25日
《国防领域敏感性分析白皮书》
专知会员服务
9+阅读 · 6月25日
综述 | 从问答到任务完成:Agent系统与Harness设计
专知会员服务
10+阅读 · 6月24日
Agentic RL:框架、实践与长程智能体训练
专知会员服务
10+阅读 · 6月24日
相关VIP内容
Nature:大脑中的多时间尺度强化学习
专知会员服务
18+阅读 · 2025年6月8日
相关基金
国家自然科学基金
1+阅读 · 2016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
5+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+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
6+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
18+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
17+阅读 · 2008年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员