Machine learning with tree tensor networks, CP rank constraints, and tensor dropout

过度拟合 张量(固有定义) MNIST数据库 计算 数学 秩(图论) 人工神经网络 辍学(神经网络) 计算机科学 人工智能 理论计算机科学 数学优化 算法 机器学习 组合数学 纯数学
作者
Hao Chen,Thomas Barthel
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2305.19440
摘要

Tensor networks approximate order-$N$ tensors with a reduced number of degrees of freedom that is only polynomial in $N$ and arranged as a network of partially contracted smaller tensors. As suggested in [arXiv:2205.15296] in the context of quantum many-body physics, computation costs can be further substantially reduced by imposing constraints on the canonical polyadic (CP) rank of the tensors in such networks. Here we demonstrate how tree tensor networks (TTN) with CP rank constraints and tensor dropout can be used in machine learning. The approach is found to outperform other tensor-network based methods in Fashion-MNIST image classification. A low-rank TTN classifier with branching ratio $b=4$ reaches test set accuracy 90.3\% with low computation costs. Consisting of mostly linear elements, tensor network classifiers avoid the vanishing gradient problem of deep neural networks. The CP rank constraints have additional advantages: The number of parameters can be decreased and tuned more freely to control overfitting, improve generalization properties, and reduce computation costs. They allow us to employ trees with large branching ratios which substantially improves the representation power.

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