Deep neural networks (DNNs) show great promise for solving partial differential equations (PDEs), but their deep architectures introduce complex, large-scale, non-convex optimization challenges. Nonlinear PDEs, like the viscous Burgers' equation, compound these difficulties due to steep gradients and shock-like solutions. To address this, we propose a two-stage multi-grade deep learning (TS-MGDL) method. In the first stage, shallow networks are trained progressively grade by grade to fit the target function from low- to high-frequency components; previously learned grades are frozen, and each new residual block is trained solely to minimize the remaining approximation error. The second stage unfreezes and retrains selected layers using the first-stage network as initialization, achieving an interpretable, stable hierarchical refinement while mitigating optimization complexity. Furthermore, we theoretically prove that each grade and stage in TS-MGDL monotonically reduces the loss function under an appropriate optimization strategy. Numerical experiments on 1D, 2D, and 3D viscous Burgers' equations demonstrate that TS-MGDL significantly outperforms single-grade learning (SGL), reducing predictive errors by up to a factor of 60.


翻译:深度神经网络(DNNs)在求解偏微分方程(PDEs)方面展现出巨大潜力,但其深层架构带来了复杂、大规模且非凸的优化挑战。非线性PDEs(如黏性Burgers方程)因存在陡峭梯度和类激波解而进一步加剧了这些困难。为此,我们提出了一种两阶段多级深度学习方法(TS-MGDL)。在第一阶段,浅层网络逐级递增地进行训练,以从低频到高频分量逐步拟合目标函数;先前学习的级别被冻结,每个新的残差块仅用于最小化剩余逼近误差。第二阶段以第一阶段网络为初始化,解冻并重新训练选定层,实现可解释、稳定的层次化精化,同时缓解优化复杂性。此外,我们从理论上证明,在适当的优化策略下,TS-MGDL中每个级别和阶段均能单调地减小损失函数。在一维、二维及三维黏性Burgers方程上的数值实验表明,TS-MGDL显著优于单级学习(SGL),预测误差最多降低60倍。

0
下载
关闭预览

相关内容

机器学习的一个分支,它基于试图使用包含复杂结构或由多重非线性变换构成的多个处理层对数据进行高层抽象的一系列算法。

知识荟萃

精品入门和进阶教程、论文和代码整理等

更多

查看相关VIP内容、论文、资讯等
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
7个实用的深度学习技巧
机器学习算法与Python学习
16+阅读 · 2019年3月6日
<好书推荐> -《Pro Deep Learning with TensorFlow》分享
深度学习与NLP
12+阅读 · 2018年9月13日
深度学习中的五大正则化方法和七大优化策略
全球人工智能
11+阅读 · 2017年12月25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
0+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
5+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
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
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
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
4+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
6+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
3+阅读 · 6月17日
相关VIP内容
相关基金
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
0+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
5+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
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
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