The Rules-and-Facts Model for Simultaneous Generalization and Memorization in Neural Networks

arXiv stat.ML / 3/27/2026

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Key Points

  • 論文は、ニューラルネットが「規則(ルール)」を学習しつつ「例外的な事実(ファクト)」を同時に記憶できる現象を、理論的に最小で解ける設定としてRAF(Rules-and-Facts)モデルで定式化する。
  • 学習データは、(1-ε)が構造化された教師ルールで生成され、εがランダムラベルの非構造的ファクトから成る混合としてモデル化され、学習者がルールを復元して新規データへ一般化しながら、ランダム例も記憶できる条件を解析する。
  • 過パラメータ化により、十分な過剰容量がメモリ(memorization)を可能にし、同時に規則学習(generalization)との容量配分が可能になる点を、容量と正則化の役割として定量化する。
  • 正則化やカーネル/非線形性の選択が、ルール学習とメモリのどちらに容量が割り当てられるかを制御することを示し、現代NNの「構造推論」と「圧縮できない情報の保存」の理解に理論的土台を与える。

Abstract

A key capability of modern neural networks is their capacity to simultaneously learn underlying rules and memorize specific facts or exceptions. Yet, theoretical understanding of this dual capability remains limited. We introduce the Rules-and-Facts (RAF) model, a minimal solvable setting that enables precise characterization of this phenomenon by bridging two classical lines of work in the statistical physics of learning: the teacher-student framework for generalization and Gardner-style capacity analysis for memorization. In the RAF model, a fraction 1 - \varepsilon of training labels is generated by a structured teacher rule, while a fraction \varepsilon consists of unstructured facts with random labels. We characterize when the learner can simultaneously recover the underlying rule - allowing generalization to new data - and memorize the unstructured examples. Our results quantify how overparameterization enables the simultaneous realization of these two objectives: sufficient excess capacity supports memorization, while regularization and the choice of kernel or nonlinearity control the allocation of capacity between rule learning and memorization. The RAF model provides a theoretical foundation for understanding how modern neural networks can infer structure while storing rare or non-compressible information.
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