Deep Neural Networks (DNNs) training can be difficult due to vanishing and exploding gradients during weight optimization through backpropagation. To address this problem, we propose a general class of Hamiltonian DNNs (H-DNNs) that stem from the discretization of continuous-time Hamiltonian systems and include several existing DNN architectures based on ordinary differential equations. Our main result is that a broad set of H-DNNs ensures non-vanishing gradients by design for an arbitrary network depth. This is obtained by proving that, using a semi-implicit Euler discretization scheme, the backward sensitivity matrices involved in gradient computations are symplectic. We also provide an upper-bound to the magnitude of sensitivity matrices and show that exploding gradients can be controlled through regularization. Finally, we enable distributed implementations of backward and forward propagation algorithms in H-DNNs by characterizing appropriate sparsity constraints on the weight matrices. The good performance of H-DNNs is demonstrated on benchmark classification problems, including image classification with the MNIST dataset.


翻译:深神经网络(DNNs)培训可能由于在通过反向调整来优化重量时,梯度时会消失和爆炸梯度而变得困难。为了解决这个问题,我们提出一个汉密尔顿-DNNs(H-DNNs)一般类别,该类别来自连续的汉密尔顿系统离散,包括基于普通差异方程式的现有DNN结构。我们的主要结果是,一大批H-DNNs通过设计任意的网络深度,确保了非加速梯度。这通过证明使用半不透明的欧尔离散计划,梯度计算中的后向敏感矩阵是静默性的。我们还提供了一个高空的敏感矩阵,表明通过正规化可以控制爆炸梯度。最后,我们通过对重量矩阵上的适当音量限制进行定性,使H-DNNNs的后向和前向传播算法得以分散实施。H-DNNs的良好性表现体现在基准分类上的问题,包括与MNIST数据集的图像分类。

0
下载
关闭预览

相关内容

Networking:IFIP International Conferences on Networking。 Explanation:国际网络会议。 Publisher:IFIP。 SIT: http://dblp.uni-trier.de/db/conf/networking/index.html
专知会员服务
51+阅读 · 2020年12月14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
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
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
【推荐】用Tensorflow理解LSTM
机器学习研究会
36+阅读 · 2017年9月11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
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
Arxiv
13+阅读 · 2021年5月25日
Arxiv
12+阅读 · 2021年3月25日
Optimization for deep learning: theory and algorithms
Arxiv
106+阅读 · 2019年12月19日
VIP会员
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
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
【推荐】用Tensorflow理解LSTM
机器学习研究会
36+阅读 · 2017年9月11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
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
0+阅读 · 2012年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员