Neural networks are the state-of-the-art for many approximation tasks in high-dimensional spaces, as supported by an abundance of experimental evidence. However, we still need a solid theoretical understanding of what they can approximate and, more importantly, at what cost and accuracy. One network architecture of practical use, especially for approximation tasks involving images, is convolutional (residual) networks. However, due to the locality of the linear operators involved in these networks, their analysis is more complicated than for generic fully connected neural networks. This paper focuses on sequence approximation tasks, where a matrix or a higher-order tensor represents each observation. We show that when approximating sequences arising from space-time discretisations of PDEs we may use relatively small networks. We constructively derive these results by exploiting connections between discrete convolution and finite difference operators. Throughout, we design our network architecture to, while having guarantees, be similar to those typically adopted in practice for sequence approximation tasks. Our theoretical results are supported by numerical experiments which simulate linear advection, the heat equation, and the Fisher equation. The implementation used is available at the repository associated to the paper.


翻译:神经网络在高维空间中诸多逼近任务中达到最优性能,已有大量实验证据支持。然而,我们仍需对其能够逼近的对象,以及更重要的——逼近成本与精度——建立扎实的理论理解。一种在涉及图像的逼近任务中具有实用价值的网络架构是卷积(残差)网络。但由于此类网络中线性算子的局部性特征,其分析比通用全连接神经网络更为复杂。本文聚焦于序列逼近任务,其中每个观测值由矩阵或高阶张量表示。我们证明,在逼近由偏微分方程时空离散化产生的序列时,可采用相对较小的网络。通过揭示离散卷积与有限差分算子之间的关联,我们以构造性方式推导出这些结论。在整个研究过程中,我们设计的网络架构在具备理论保证的同时,与序列逼近任务实际采用的典型架构保持相似性。理论结果得到了模拟线性平流方程、热传导方程及费舍尔方程的数值实验支持。论文相关存储库提供了所用实现代码。

0
下载
关闭预览

相关内容

不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
专知会员服务
162+阅读 · 2020年1月16日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
78+阅读 · 2019年10月10日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9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
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3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
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
【推荐】免费书(草稿):数据科学的数学基础
机器学习研究会
20+阅读 · 2017年10月1日
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8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 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Additive interaction modelling using I-priors
Arxiv
0+阅读 · 2023年6月13日
Arxiv
0+阅读 · 2023年6月12日
VIP会员
最新内容
以色列-美国-伊朗战争中的无人机:关键要点
专知会员服务
1+阅读 · 今天14:04
《Palantir任务保障性软件安全标准(MA-S2)》
专知会员服务
5+阅读 · 今天13:49
基于声学的无人机检测技术综述
专知会员服务
3+阅读 · 今天13:37
《当代混合战争分析框架:俄乌战争经验教训》
专知会员服务
4+阅读 · 今天13:11
战略前沿人工智能的再思考(中文)
专知会员服务
7+阅读 · 5月29日
《量化地基防空系统间接效应的博弈论方法》
专知会员服务
5+阅读 · 5月29日
“史诗怒火行动”中美军损失的作战飞机
专知会员服务
6+阅读 · 5月29日
ICML 2026 | 理解上下文持续学习中的泛化与遗忘
专知会员服务
5+阅读 · 5月28日
相关资讯
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
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3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
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
【推荐】免费书(草稿):数据科学的数学基础
机器学习研究会
20+阅读 · 2017年10月1日
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8日
相关基金
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 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员