Neural Tangent Kernel: Convergence and Generalization in Neural Networks

数学 核(代数) 人工神经网络 梯度下降 初始化 应用数学 变核密度估计 核方法 极限(数学) 过度拟合 数学分析 计算机科学 人工智能 组合数学 支持向量机 程序设计语言
作者
Arthur Paul Jacot,Franck Gabriel,Clément Hongler
出处
期刊:Cornell University - arXiv 被引量:1485
标识
DOI:10.48550/arxiv.1806.07572
摘要

At initialization, artificial neural networks (ANNs) are equivalent to Gaussian processes in the infinite-width limit, thus connecting them to kernel methods. We prove that the evolution of an ANN during training can also be described by a kernel: during gradient descent on the parameters of an ANN, the network function $f_\theta$ (which maps input vectors to output vectors) follows the kernel gradient of the functional cost (which is convex, in contrast to the parameter cost) w.r.t. a new kernel: the Neural Tangent Kernel (NTK). This kernel is central to describe the generalization features of ANNs. While the NTK is random at initialization and varies during training, in the infinite-width limit it converges to an explicit limiting kernel and it stays constant during training. This makes it possible to study the training of ANNs in function space instead of parameter space. Convergence of the training can then be related to the positive-definiteness of the limiting NTK. We prove the positive-definiteness of the limiting NTK when the data is supported on the sphere and the non-linearity is non-polynomial. We then focus on the setting of least-squares regression and show that in the infinite-width limit, the network function $f_\theta$ follows a linear differential equation during training. The convergence is fastest along the largest kernel principal components of the input data with respect to the NTK, hence suggesting a theoretical motivation for early stopping. Finally we study the NTK numerically, observe its behavior for wide networks, and compare it to the infinite-width limit.
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