【问题标题】:How can a PDE be solved using a Neural Network?如何使用神经网络求解 PDE?
【发布时间】:2020-03-19 19:59:31
【问题描述】:

我试图为这个问题寻找一个简单的答案,但所有的解释都是针对那些能够理解数值方法和偏微分方程的人。我有计算机科学背景,所有论文看起来都像行话。我已经了解并使用机器学习算法来解决与图像或正常表格数据(具有输入特征和目标类)相关的分类和回归问题。我也使用过神经网络,但只是作为一个黑匣子,在给定一些输入的情况下产生所需的输出,并调整参数以获得最佳精度。

我不明白,给定一个 PDE 来求解,什么当用一些例子训练网络时,神经网络的输入是什么?在机器学习的语言中,有哪些例子,输入特征是什么?参数是什么?

任何帮助理解这一点将不胜感激。

【问题讨论】:

    标签: neural-network pde


    【解决方案1】:
    【解决方案2】:

    这当然取决于 PDE 的类型。许多 PDE 描述了空间分布式系统随时间的演变。这种系统的状态由一个值 v(x,t) 定义,该值取决于空间变量 x 这通常是一个向量和时间t。值本身也可以是向量。

    学习样本可以由初始条件 v_i_0(x_i,0) 的离散值和值 v_i_j(x_i,t_j) 稍后。初始值作为输入呈现给网络。然后将(循环)网络在稍后时间 t_j 的输出与样本值进行比较以计算误差。

    由于 PDE 通常在空间上是同质的,因此在这里使用循环卷积网络是有意义的。这与图像处理中经常使用的类型相同。

    卷积核的大小取决于 PDE 中空间导数的程度:

    网络需要为值 v 的每个分量至少有一层。可能需要额外的隐藏层,特别是如果 PDE 具有更高的时间导数。

    这是对一个复杂问题的非常简短的回答,但我希望它能为您指明正确的方向。我也知道我使用了一些 PDE 行话,但我试图将其减少到绝对最低限度。

    【讨论】:

    • 非常感谢,在进行更多研究并阅读您的答案后,事情开始变得有意义。您能否使用简单的偏微分方程进一步解释“值 v 的每个分量至少有一层”?
    • 我还有一个相关的问题:我从许多文章中了解到维数灾难是解决 PDE 的一个问题。我认为他们所指的巨大维度是大量的学习样本?我说的对吗?
    • 关于层数:如果 PDE 的状态由向量描述,例如流体的速度分量,则需要 x、y 和 z 分量的层。至少如果我们假设一个单元格输出是一个数字。
    • 通过使用卷积神经网络,可以大大减少可变权重的数量。这意味着您还可以减少训练数据量。在某些情况下,您可以通过在单个初始条件下训练网络并在几个 t 值处给出预期状态来获得良好的结果。
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