Graph neural network architectures based on the graph Laplacian approximate the Laplace-Beltrami operator, thus limiting their application to isotropic operators. As a nonlinear alternative to the Laplace-Beltrami operator, we consider estimates of the Finsler Laplacian on point clouds sampled from a manifold. We prove that these discrete estimates converge to the true operator on the manifold as the number of point samples grows. Moreover, we show that this operator can be expressed as a graph neural network layer, which we use to define a family of Finslerian graph neural networks constrained to express Finsler geometry. We show that Finslerian graph neural networks recover the geometry underlying nonlinear diffusion equations in practice.


翻译:基于图拉普拉斯算子的图神经网络架构近似于拉普拉斯-贝尔特拉米算子,从而限制了其在各向同性算子中的应用。作为拉普拉斯-贝尔特拉米算子的非线性替代方案,我们考虑对从流形采样的点云上的芬斯勒拉普拉斯算子进行估计。我们证明,随着样本点数量的增加,这些离散估计会收敛到流形上的真实算子。此外,我们展示了该算子可以表示为图神经网络层,并据此定义了一类受限于表达芬斯勒几何的芬斯勒图神经网络家族。我们证明,在实践中,芬斯勒图神经网络能够恢复非线性扩散方程背后的几何结构。

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人工神经网络(Artificial Neural Network,即ANN ),是20世纪80 年代以来人工智能领域兴起的研究热点。它从信息处理角度对人脑神经元网络进行抽象, 建立某种简单模型,按不同的连接方式组成不同的网络。在工程与学术界也常直接简称为神经网络或类神经网络。神经网络是一种运算模型,由大量的节点(或称神经元)之间相互联接构成。每个节点代表一种特定的输出函数,称为激励函数(activation function)。每两个节点间的连接都代表一个对于通过该连接信号的加权值,称之为权重,这相当于人工神经网络的记忆。网络的输出则依网络的连接方式,权重值和激励函数的不同而不同。而网络自身通常都是对自然界某种算法或者函数的逼近,也可能是对一种逻辑策略的表达。 最近十多年来,人工神经网络的研究工作不断深入,已经取得了很大的进展,其在模式识别、智能机器人、自动控制、预测估计、生物、医学、经济等领域已成功地解决了许多现代计算机难以解决的实际问题,表现出了良好的智能特性。
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