Scientific modeling faces a tradeoff between the interpretability of mechanistic theory and the predictive power of machine learning. While existing hybrid approaches have made progress by incorporating domain knowledge into machine learning methods as functional constraints, they can be limited by a reliance on precise mathematical specifications. When the underlying equations are partially unknown or misspecified, enforcing rigid constraints can introduce bias and hinder a model's ability to learn from data. We introduce Simulation-Grounded Neural Networks (SGNNs), a framework that incorporates scientific theory by using mechanistic simulations as training data for neural networks. By pretraining on diverse synthetic corpora that span multiple model structures and realistic observational noise, SGNNs internalize the underlying dynamics of a system as a structural prior. We evaluated SGNNs across multiple disciplines, including epidemiology, ecology, social science, and chemistry. In forecasting tasks, SGNNs outperformed both standard data-driven baselines and physics-constrained hybrid models. They nearly tripled the forecasting skill of the average CDC models in COVID-19 mortality forecasts and accurately forecasted high-dimensional ecological systems. SGNNs demonstrated robustness to model misspecification, performing well even when trained on data with incorrect assumptions. Our framework also introduces back-to-simulation attribution, a method for mechanistic interpretability that explains real-world dynamics by identifying their most similar counterparts within the simulated corpus. By unifying these techniques into a single framework, we demonstrate that diverse mechanistic simulations can serve as effective training data for robust scientific inference.


翻译:暂无翻译

0
下载
关闭预览

相关内容

ACM/IEEE第23届模型驱动工程语言和系统国际会议,是模型驱动软件和系统工程的首要会议系列,由ACM-SIGSOFT和IEEE-TCSE支持组织。自1998年以来,模型涵盖了建模的各个方面,从语言和方法到工具和应用程序。模特的参加者来自不同的背景,包括研究人员、学者、工程师和工业专业人士。MODELS 2019是一个论坛,参与者可以围绕建模和模型驱动的软件和系统交流前沿研究成果和创新实践经验。今年的版本将为建模社区提供进一步推进建模基础的机会,并在网络物理系统、嵌入式系统、社会技术系统、云计算、大数据、机器学习、安全、开源等新兴领域提出建模的创新应用以及可持续性。 官网链接:http://www.modelsconference.org/
从Idea构想到论文发表:AI for Research全链路综述与实践
专知会员服务
23+阅读 · 2025年7月21日
EMNLP2023:预训练模型的知识反刍
专知会员服务
32+阅读 · 2023年11月20日
强化学习三篇论文 避免遗忘等
CreateAMind
20+阅读 · 2019年5月24日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
深度学习中Attention Mechanism详细介绍:原理、分类及应用
深度学习与NLP
10+阅读 · 2019年2月18日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
6+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
12+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
1+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
DeepSeek 版Claude Code,免费小白安装教程来了!
专知会员服务
6+阅读 · 5月5日
《美空军条令出版物 2-0:情报(2026版)》
专知会员服务
9+阅读 · 5月5日
帕兰提尔 Gotham:一个游戏规则改变器
专知会员服务
5+阅读 · 5月5日
【综述】 机器人学习中的世界模型:全面综述
专知会员服务
11+阅读 · 5月4日
伊朗的导弹-无人机行动及其对美国威慑的影响
相关VIP内容
从Idea构想到论文发表:AI for Research全链路综述与实践
专知会员服务
23+阅读 · 2025年7月21日
EMNLP2023:预训练模型的知识反刍
专知会员服务
32+阅读 · 2023年11月20日
相关基金
国家自然科学基金
4+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
6+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
12+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
1+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