grokking relu-activation parameter-updates feature-repulsion spectral-lock-in matrix-inversion activation-derivative eigengap-detection
Abstract
Tian (2025) proves a repulsion theorem (Theorem 6) for the matrix $ B = (\widetilde{F}^\top \widetilde{F} + \eta I)^{-1} $ during the interactive feature-learning stage of grokking: similar features have negative off-diagonal entries $ B_{j\ell} $, producing an effective repulsive force that drives them apart. However, the theorem does not specify when this mechanism becomes empirically observable, nor whether it leaves a measurable spectral signature in the parameter updates. We test this directly on Tian's modular addition setup ($ M = 71 $, $ K = 2048 $, MSE loss) and observe a clear structure-mechanism dissociation. The predicted sign rule holds robustly on the top-200 most-similar feature pairs across activations (empirical sign-match rising from 0.865 to 0.985 on $ \sigma = x^2 $ across 5 seeds, and saturating at 1.000 on $ \sigma = \operatorname{ReLU} $). However, the spectral signature in the parameter updates is strongly activation-dependent. With $ \sigma = x^2 $, a simple slope detector on the rolling eigengap $ \sigma_2 / \sigma_3 $ of $ \Delta W $ fires in 15/15 grokking seeds at epoch 174 (IQR [173,174]) and in 0/15 non-grokking controls, with 229$ \times $ late-stage magnitude separation; the spectrum is rank-2. In contrast, with $ \sigma = \operatorname{ReLU} $, the detector never fires and the spectrum remains effectively rank-1. This dissociation aligns with Tian's Theorem 5 distinction between focused (power-law) and spreading (ReLU) memorization: while the sign structure of $ B $ depends only on $ \widetilde{F}^\top \widetilde{F} $, how feature repulsion translates into weight updates critically depends on the activation derivative $ \sigma' $.
한국어 요약
📋 한 줄 요약
**[딥러닝 이론 / Grokking]** 2층 신경망의 grokking 현상에서 특징 반발(repulsion) 메커니즘이 활성화 함수의 미분에 따라 측정 가능한 스펙트럼 신호로 나타나거나 사라지는 구조-메커니즘 해리(dissociation)를 실증적으로 규명.
🎯 핵심 기여도
- Tian(2025)의 반발 정리(Theorem 6)가 예측한 부호 규칙(sign rule)이 modular addition($M=71$, $K=2048$) 환경에서 실제로 성립함을 확인 ($\sigma=x^2$에서 0.865→0.985, ReLU에서 1.000으로 포화).
- 동일한 부호 구조가 활성화 함수에 따라 파라미터 업데이트의 스펙트럼 신호로는 전혀 다르게 나타남을 발견.
- $\Delta W$의 고유값 비율 $\sigma_2/\sigma_3$에 대한 단순 기울기 검출기가 $\sigma=x^2$에서는 15/15 grokking 시드를 정확히 epoch 174에서 검출하고 비-grokking 대조군 0/15에서 오탐 없음.
- Tian의 Theorem 5(focused vs spreading memorization) 구분과 본 연구의 해리 현상을 연결지어 grokking 진단의 활성화 의존성을 이론적으로 설명.
💡 핵심 아이디어
$B = (\widetilde{F}^\top \widetilde{F} + \eta I)^{-1}$의 부호 구조는 활성화 함수와 무관하지만, 이 반발력이 실제 가중치 업데이트로 번역되는 과정은 활성화 미분 $\sigma'$에 결정적으로 의존한다는 통찰. 즉 "메커니즘은 보편적이지만 관측 가능성은 활성화 의존적"이라는 dissociation.
🔬 기술적 접근법
- **모델/방법론**: Tian의 modular addition 셋업 그대로 사용 — 2층 네트워크, MSE loss, $M=71$, $K=2048$ hidden units.
- **핵심 기법**: 상위 200개 유사 feature 쌍에서 $B_{j\ell}$ 부호 매칭률 측정, $\Delta W$의 rolling eigengap($\sigma_2/\sigma_3$)에 단순 slope detector 적용, $\sigma=x^2$와 $\sigma=\text{ReLU}$ 각 15 시드에서 grokking 시점 식별.
📊 주요 결과
- $\sigma=x^2$: 검출기 15/15 grokking 시드에서 epoch 174 (IQR [173,174])에 발화, 후기 단계 크기 분리 229배, 스펙트럼 rank-2.
- $\sigma=\text{ReLU}$: 검출기 0회 발화, 스펙트럼이 사실상 rank-1로 유지.
- 부호 규칙은 두 활성화에서 모두 robust하게 성립 (구조는 보편적).
💭 의의 및 한계
**의의**: grokking 이론의 예측을 실증적으로 검증하면서도, 활성화 함수가 메커니즘의 관측 가능성에 미치는 영향을 분리해낸 첫 사례. **한계**: modular addition이라는 단순 토이 문제에 국한되며, 더 큰 모델·자연 데이터에서의 일반화는 검증되지 않음.
🚀 실용적 활용
- grokking 진단 도구: $\Delta W$ 스펙트럼 모니터링을 학습 진행 분석에 활용.
- 활성화 함수 선택: 해석 가능성이 중요한 학습 동역학 연구에서는 polynomial 활성화가 진단에 유리.
- 이론-실험 가교: feature learning 이론의 후속 검증 프로토콜로 사용 가능.