学習過程を少数合成データに圧縮する仕組みの理論的解明 -汎用性のある情報の抽出と効率的な再利用-

2026-07-08 理化学研究所,東京大学

理化学研究所と東京大学の共同研究グループは、大規模な学習データを少数の合成データへ圧縮する「データ蒸留」が機能する仕組みを理論的に解明した。解析では、非線形の2層ニューラルネットワークを対象に、データ蒸留によって元データの表面的な高次元情報ではなく、予測に本質的な少数の特徴から成る「低次元構造」が抽出され、合成データへ効率よく保存されることを証明した。さらに、この合成データのみで再学習したモデルが、元の大規模データで学習した場合と同等の高い汎化性能を再現できることを示した。また、必要な合成データ数は元データより大幅に少なく、転移学習にも利用できる可能性を確認した。本成果は、AIの学習やデータ保存・転送に伴う計算資源やコストの削減に加え、深層学習が重要な情報をどのように抽出・記憶するかという理論的理解を深めるものであり、省資源で高性能なAIの実現に向けた基盤技術として期待される。研究成果は機械学習の国際会議ICML 2026で発表された。

学習過程を少数合成データに圧縮する仕組みの理論的解明 -汎用性のある情報の抽出と効率的な再利用-
データ蒸留と低次元構造の抽出メカニズム

<関連情報>

データセット蒸留は、非線形タスクの勾配ベース学習から低次元表現を効率的に符号化する Dataset Distillation Efficiently Encodes Low-Dimensional Representations from Gradient-Based Learning of Non-Linear Tasks

Yuri Kinoshita, Naoki Nishikawa, Taro Toyoizumi
arXiv  last revised 3 Jul 2026 (this version, v3)
DOI:https://doi.org/10.48550/arXiv.2603.14830

Abstract

Dataset distillation, a training-aware data compression technique, has recently attracted increasing attention as an effective tool for mitigating costs of optimization and data storage. However, progress remains largely empirical. Mechanisms underlying the extraction of task-relevant information from the training process and the efficient encoding of such information into synthetic data points remain elusive. In this paper, we theoretically analyze practical algorithms of dataset distillation applied to the gradient-based training of two-layer neural networks with width L. By focusing on a non-linear task structure called multiindex model, we prove that the low-dimensional structure of the problem is efficiently encoded into the resulting distilled data. This dataset reproduces a model with high generalization ability for a required memory complexity of ˜ Θ(r2d+L), where d and r are the input and intrinsic dimensions of the task. To the best of our knowledge, this is one of the first theoretical works that include a specific task structure, leverage its intrinsic dimensionality to quantify the compression rate and study dataset distillation implemented solely via gradient-based algorithms.

1603情報システム・データ工学
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