Neural network-based approaches have recently shown significant promise in solving partial differential equations (PDEs) in science and engineering, especially in scenarios featuring complex domains or the incorporation of empirical data. One advantage of the neural network method for PDEs lies in its automatic differentiation (AD), which necessitates only the sample points themselves, unlike traditional finite difference (FD) approximations that require nearby local points to compute derivatives. In this paper, we quantitatively demonstrate the advantage of AD in training neural networks. The concept of truncated entropy is introduced to characterize the training property. Specifically, through comprehensive experimental and theoretical analyses conducted on random feature models and two-layer neural networks, we discover that the defined truncated entropy serves as a reliable metric for quantifying the residual loss of random feature models and the training speed of neural networks for both AD and FD methods. Our experimental and theoretical analyses demonstrate that, from a training perspective, AD outperforms FD in solving partial differential equations.


翻译:基于神经网络的方法近年来在科学与工程领域求解偏微分方程方面展现出显著潜力,尤其在处理复杂计算域或融合经验数据的场景中。神经网络方法求解偏微分方程的一个优势在于其自动微分能力,该方法仅需样本点本身即可计算导数,而传统有限差分近似则需要邻近局部点来计算导数。本文通过量化分析揭示了自动微分在神经网络训练中的优势。我们引入截断熵的概念来刻画训练特性。具体而言,通过对随机特征模型和双层神经网络开展系统的实验与理论分析,我们发现所定义的截断熵能够可靠地量化随机特征模型的残差损失,以及神经网络在自动微分和有限差分方法下的训练速度。我们的实验与理论分析表明,从训练角度而言,自动微分在求解偏微分方程方面优于有限差分方法。

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神经网络(Neural Networks)是世界上三个最古老的神经建模学会的档案期刊:国际神经网络学会(INNS)、欧洲神经网络学会(ENNS)和日本神经网络学会(JNNS)。神经网络提供了一个论坛,以发展和培育一个国际社会的学者和实践者感兴趣的所有方面的神经网络和相关方法的计算智能。神经网络欢迎高质量论文的提交,有助于全面的神经网络研究,从行为和大脑建模,学习算法,通过数学和计算分析,系统的工程和技术应用,大量使用神经网络的概念和技术。这一独特而广泛的范围促进了生物和技术研究之间的思想交流,并有助于促进对生物启发的计算智能感兴趣的跨学科社区的发展。因此,神经网络编委会代表的专家领域包括心理学,神经生物学,计算机科学,工程,数学,物理。该杂志发表文章、信件和评论以及给编辑的信件、社论、时事、软件调查和专利信息。文章发表在五个部分之一:认知科学,神经科学,学习系统,数学和计算分析、工程和应用。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/nn/
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