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表現学習arXiv:2610.24571

表現には軌跡がある:ニューラルネットワークにおける時間的表現ダイナミクスの特性評価

Representations Have Trajectories: Characterizing Temporal Representation Dynamics in Neural Networks

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訓練中の表現幾何学を大規模に追跡し、ネットワークが高ランク持続・崩壊と回復・低ランク持続という3つの幾何学的軌跡をたどること、および回復不能な崩壊(DRC)が表現能力を永続的に失わせる病理的状態であることを示した研究。

詳しい要約

1. どんなもの?

- 深層ニューラルネットワークの表現幾何が最適化の過程でどのように時間的に変化するかを大規模に実証研究した論文 - 学習全体を通して表現の rank や geometry を追跡し、時間的ダイナミクスを特徴づける - 3つの再発する幾何的 trajectory(persistent high-rank、collapse-and-recovery、persistent low-rank)を同定 - Destructive Representation Collapse (DRC) という rank-one に崩壊し回復しない病理的状態を特定

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

- 先行研究は暗黙の low-rank simplicity bias を主に収束時点で観察していた - 本研究は収束時だけでなく最適化中の表現幾何の時間的進化に着目する点が新しい - 異なるアーキテクチャ間の幾何的最適化挙動の違いを比較する視点を提供 - 幾何的 trajectory と最適化結果の関係を実世界モデルで検証した点が先行研究と異なる

3. 技術・手法の肝は?

- 学習全体を通じて表現幾何を追跡する大規模実証研究の設計 - 表現の rank を指標として trajectory を分類(persistent high-rank、collapse-and-recovery、persistent low-rank) - rank-one へ崩壊し回復しない DRC を病理的レジームとして定義 - 制御された設定と実世界モデルの両方で実験し、trajectory と最適化結果の関係を分析

4. どうやって有効だと検証した?

- 大規模な実証研究により学習中の表現幾何を追跡して3つの trajectory を確認 - 制御された設定では collapse-and-recovery が成功した最適化と一貫して関連することを示す - 実世界モデルでの実験により、幾何的 trajectory と最適化結果の関係が configuration 依存であることを確認 - 詳細な検証手法・データセットは要旨からは不明

5. 議論はある?

- 制御設定では collapse-and-recovery が成功と関連するが、実世界モデルでは関係が configuration 依存 - DRC は表現容量の持続的喪失をもたらす病理的レジームとして議論 - 表現幾何が学習中に動的に進化するという新たな視点を提示 - 具体的な限界や今後の課題の詳細は要旨からは不明

6. 次に読むべき論文は?

- low-rank simplicity bias に関する先行研究(implicit low-rank simplicity bias を報告した研究) - collapse-and-recovery や persistent low-rank に関連する表現崩壊・rank ダイナミクスの研究 - 深層ネットワークの表現幾何と最適化を扱う関連手法(表現 rank 解析、training dynamics 研究) - 要旨で具体的な論文名は参照されていないため、同分野の定番として表現幾何・training dynamics の研究を挙げる

※ AIが要旨から生成した要約です。正確性は原文をご確認ください。

著者: Shivaprasad B. Gowda, Sparsh Mittal

分類: cs.LG

原文アブストラクト

Recent work has shown that deep neural networks exhibit an implicit low-rank simplicity bias. In this paper, we investigate the questions that naturally arise from this observation. What are the temporal consequences of low-rank simplicity bias during optimization? How does representation geometry evolve throughout optimization rather than only at convergence? Do different neural architectures exhibit distinct geometric optimization behaviors? To answer these questions, we conduct a large-scale empirical study tracking representational geometry throughout training. We find that neural networks follow three recurring geometric trajectories: persistent high-rank, collapse-and-recovery, and persistent low-rank. We further identify Destructive Representation Collapse (DRC) as a pathological regime in which representations collapse to rank-one and fail to recover, leading to a sustained loss of representational capacity. While collapse-and-recovery is consistently associated with successful optimization in controlled settings, experiments on real-world models show that the relationship between geometric trajectories and optimization outcomes is configuration dependent. Overall, our findings suggest that representation geometry evolves dynamically during training and provide a new perspective on how deep neural networks learn.

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