Exploiting data invariances is crucial for efficient learning in both artificial and biological neural circuits. Understanding how neural networks can discover appropriate representations capable of harnessing the underlying symmetries of their inputs is thus crucial in machine learning and neuroscience. Convolutional neural networks, for example, were designed to exploit translation symmetry and their capabilities triggered the first wave of deep learning successes. However, learning convolutions directly from translation-invariant data with a fully-connected network has so far proven elusive. Here, we show how initially fully-connected neural networks solving a discrimination task can learn a convolutional structure directly from their inputs, resulting in localised, space-tiling receptive fields. These receptive fields match the filters of a convolutional network trained on the same task. By carefully designing data models for the visual scene, we show that the emergence of this pattern is triggered by the non-Gaussian, higher-order local structure of the inputs, which has long been recognised as the hallmark of natural images. We provide an analytical and numerical characterisation of the pattern-formation mechanism responsible for this phenomenon in a simple model and find an unexpected link between receptive field formation and tensor decomposition of higher-order input correlations. These results provide a new perspective on the development of low-level feature detectors in various sensory modalities, and pave the way for studying the impact of higher-order statistics on learning in neural networks.


翻译:探索性数据差异对于人工和生物神经电路的有效学习至关重要。 了解神经网络如何能发现能够利用其投入的基本对称性的适当表现,因此在机器学习和神经科学中至关重要。 革命性神经网络的设计,例如利用翻译对称性,其能力引发了第一波深层次学习成功。 然而,迄今为止,通过完全连通的网络直接从翻译对流数据中学习变化证明是难以实现的。 在这里,我们展示了最初完全连接的解决歧视任务的神经网络如何从其投入中直接学习动态结构,从而形成本地化的、空间化的接收场。 这些接收场与就同一任务所培训的革命网络的过滤器相匹配。 通过仔细设计视觉场的数据模型,我们表明,这种模式的出现是由非英国的、更上层的本地投入结构所引发的,这种结构早已被确认为自然图像的标志。 我们为在应对这一变化的更高层次的模型和数字化结构中提供了一种高层次结构结构的分析和数字化结构化结构化, 在一个简单的模型中,在可接受性统计模型中为这种变化的更高层次上, 提供了一种可理解性统计模型和不同感官变式的层次的层次的层次的层次的模型,为一种新结构的模型和感变式结构的模型的模型化的模型化的模型的模型的模型的形成提供了一种新结果。

0
下载
关闭预览

相关内容

不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
71+阅读 · 2022年6月28日
专知会员服务
158+阅读 · 2020年1月16日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
144+阅读 · 2019年10月12日
[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
77+阅读 · 2019年10月10日
机器学习入门的经验与建议
专知会员服务
90+阅读 · 2019年10月10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
99+阅读 · 2019年10月9日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
39+阅读 · 2019年10月9日
【ICIG2021】Latest News & Announcements of the Tutorial
中国图象图形学学会CSIG
2+阅读 · 2021年12月20日
【ICIG2021】Check out the hot new trailer of ICIG2021 Symposium6
中国图象图形学学会CSIG
2+阅读 · 2021年11月12日
【ICIG2021】Check out the hot new trailer of ICIG2021 Symposium2
中国图象图形学学会CSIG
0+阅读 · 2021年11月8日
【ICIG2021】Check out the hot new trailer of ICIG2021 Symposium1
中国图象图形学学会CSIG
0+阅读 · 2021年11月3日
【ICIG2021】Latest News & Announcements of the Plenary Talk2
中国图象图形学学会CSIG
0+阅读 · 2021年11月2日
【ICIG2021】Latest News & Announcements of the Industry Talk1
中国图象图形学学会CSIG
0+阅读 · 2021年7月28日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
23+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
26+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
41+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
16+阅读 · 2018年12月24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
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
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
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Arxiv
21+阅读 · 2022年2月24日
Arxiv
64+阅读 · 2021年6月18日
Arxiv
49+阅读 · 2021年5月9日
Arxiv
13+阅读 · 2019年11月14日
Arxiv
17+阅读 · 2019年3月28日
A Comprehensive Survey on Graph Neural Networks
Arxiv
21+阅读 · 2019年1月3日
Arxiv
23+阅读 · 2018年10月24日
VIP会员
相关VIP内容
相关资讯
【ICIG2021】Latest News & Announcements of the Tutorial
中国图象图形学学会CSIG
2+阅读 · 2021年12月20日
【ICIG2021】Check out the hot new trailer of ICIG2021 Symposium6
中国图象图形学学会CSIG
2+阅读 · 2021年11月12日
【ICIG2021】Check out the hot new trailer of ICIG2021 Symposium2
中国图象图形学学会CSIG
0+阅读 · 2021年11月8日
【ICIG2021】Check out the hot new trailer of ICIG2021 Symposium1
中国图象图形学学会CSIG
0+阅读 · 2021年11月3日
【ICIG2021】Latest News & Announcements of the Plenary Talk2
中国图象图形学学会CSIG
0+阅读 · 2021年11月2日
【ICIG2021】Latest News & Announcements of the Industry Talk1
中国图象图形学学会CSIG
0+阅读 · 2021年7月28日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
23+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
26+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
41+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
16+阅读 · 2018年12月24日
相关论文
Arxiv
21+阅读 · 2022年2月24日
Arxiv
64+阅读 · 2021年6月18日
Arxiv
49+阅读 · 2021年5月9日
Arxiv
13+阅读 · 2019年11月14日
Arxiv
17+阅读 · 2019年3月28日
A Comprehensive Survey on Graph Neural Networks
Arxiv
21+阅读 · 2019年1月3日
Arxiv
23+阅读 · 2018年10月24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 · 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
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
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员