This paper introduces the Stochastic-Dimension Frozen Sampled Neural Network (SD-FSNN), a novel computational framework for solving high-dimensional Gross-Pitaevskii equation (GPE) on unbounded domain. The proposed method circumvents the curse-of-dimensionality that plagues traditional discretizations and the computational bottlenecks of gradient-based neural network solvers through a synergistic combination of techniques. First, a prescribed Gaussian envelope encodes the far-field decay of the wavefunction, enabling a space-time separation where the spatial approximation is handled by a frozen, single-hidden-layer neural network with data-driven sampled features. This yields a gradient-free formalism where spatial derivatives are analytically precomputed and time-dependence is evolved via reduced ODEs. Second, a stochastic-dimension sampler provides a conditionally unbiased estimate of the spatial operator by evaluating only a small subset of spatial dimensions at each time step, essentially reducing computational and memory costs. Discrete conservation laws are also enforced, ensuring long-term stability. Extensive numerical experiments on GPE in up to 1000 dimensions demonstrate that SD-FSNN achieves significantly higher accuracy and efficiency compared to state-of-the-art methods, including PINNs, randomized feature methods, and tensor-network approaches. The results confirm that SD-FSNN effectively mitigates the Kolmogorov $n$-width barrier for frozen-basis models on structured solution manifolds.


翻译:本文提出随机维度冻结采样神经网络(SD-FSNN),这是一种用于求解无界域上高维Gross-Pitaevskii方程(GPE)的新型计算框架。所提方法通过多项技术的协同组合,规避了传统离散化方法中普遍存在的维数灾难以及基于梯度的神经网络求解器中的计算瓶颈。首先,预设的高斯包络函数编码了波函数的远场衰减特性,实现了时空分离,其中空间近似由具有数据驱动采样特征的冻结单隐层神经网络处理。这产生了一种无梯度形式,空间导数被解析预计算,时间依赖性通过简化常微分方程演化。其次,随机维度采样器通过在每个时间步仅评估空间维度的一小部分子集,提供空间算子的条件无偏估计,从而大幅降低计算和内存成本。同时还施加了离散守恒律,确保了长期稳定性。在高达1000维的GPE上的大量数值实验表明,与PINN、随机特征方法和张量网络方法等现有技术相比,SD-FSNN实现了显著更高的精度和效率。结果证实,SD-FSNN有效缓解了冻结基模型在结构化解流形上的Kolmogorov $n$宽度障碍。

0
下载
关闭预览

相关内容

图神经常微分方程综述
专知会员服务
25+阅读 · 2024年8月4日
基于神经网络的偏微分方程求解方法研究综述
专知会员服务
72+阅读 · 2022年12月7日
最新《图神经网络实用指南》2020论文,28页pdf
专知会员服务
222+阅读 · 2020年10月17日
【清华大学】图随机神经网络,Graph Random Neural Networks
专知会员服务
156+阅读 · 2020年5月26日
图神经网络火了?谈下它的普适性与局限性
机器之心
22+阅读 · 2019年7月29日
掌握图神经网络GNN基本,看这篇文章就够了
新智元
164+阅读 · 2019年2月14日
图卷积神经网络的变种与挑战【附PPT与视频资料】
人工智能前沿讲习班
28+阅读 · 2018年12月28日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 5月12日
VIP会员
最新内容
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
6+阅读 · 6月17日
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
7+阅读 · 6月17日
从燃煤战舰到算法战争:水面指挥的永恒要求
专知会员服务
4+阅读 · 6月17日
相关基金
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员