SGD as Free Energy Minimization: A Thermodynamic View on Neural Network Training
Notice bibliographique
Résumé
We present a thermodynamic interpretation of the stationary behavior of stochastic gradient descent (SGD) under fixed learning rates (LRs) in neural network training. We show that SGD implicitly minimizes a free energy function $F=U-TS$, balancing training loss $U$ and the entropy of the weights distribution $S$, with temperature $T$ determined by the LR. This perspective offers a new lens on why high LRs prevent training from converging to the loss minima and how different LRs lead to stabilization at different loss levels. We empirically validate the free energy framework on both underparameterized (UP) and overparameterized (OP) models. UP models consistently follow free energy minimization, with temperature increasing monotonically with LR, while for OP models, the temperature effectively drops to zero at low LRs, causing SGD to minimize the loss directly and converge to an optimum. We attribute this mismatch to differences in the signal-to-noise ratio of stochastic gradients near optima, supported by both a toy example and neural network experiments.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,004 | 0,014 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,004 |
| Communication savante | 0,002 | 0,003 |
| Science ouverte | 0,002 | 0,002 |
| Intégrité de la recherche | 0,002 | 0,003 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,003 | 0,001 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».