CDS&E: Robust Symmetry-Preserving Machine Learning: Theory and Application

CDS

基本信息

  • 批准号:
    2244976
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 16万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-09-01 至 2026-08-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Deep neural networks (DNNs) have been a major driving force behind recent advances in data science and engineering. An emerging theme in DNN research is to exploit the intrinsic structure of the learning problems, such as symmetry, to improve the data-efficiency of DNNs in the small-data regime. Recent work on symmetry-preserving machine learning typically studies it in the ideal setting where the symmetry transformations are perfect, whereas in reality, however, they are usually “contaminated” by various sources of signal deformation. The aim of this project is to rigorously measure and guarantee the deformation robustness of general symmetry-preserving DNNs, as well as quantifying their resulting performance gain. Results of the research are expected to advance understanding of robust geometric deep learning, with a diverse range of applications from computer vision to scientific computing with limited data. The project will provide interdisciplinary training in applied mathematics, engineering, and data science to undergraduate and graduate students. The overarching theme of the project is to leverage mathematical tools from differential geometry, applied harmonic analysis, and applied probability to improve the statistical-efficiency of machine learning models. Special emphasis has been placed on the rigorous analysis and promotion of robust symmetry-preservation that is broadly applicable to arbitrary Lie group representations on general feature fields. In addition, the project aims to extend the idea of symmetry-preservation to deep distribution learning, and proposes a unified framework for data-efficient generation of distributions with intrinsic structures including—but not limited to—group symmetry; the improved statistical efficiency will be rigorously quantified through sample complexity analysis. The techniques to be developed in this project will be widely applicable across different disciplines, providing fundamental building blocks for the next generation of mathematical tools for the computational and geometric modeling of Big Data.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
深度神经网络 (DNN) 一直是数据科学和工程最新进展的主要驱动力,DNN 研究的一个新兴主题是利用学习问题的内在结构(例如对称性)来提高 DNN 的数据效率。最近关于保对称机器学习的研究通常是在对称变换完美的理想环境中进行研究,但实际上,它们通常受到各种信号变形源的“污染”。该项目的目的是严格测量和保证一般保对称 DNN 的变形鲁棒性,并量化其所产生的性能增益,该研究结果有望促进对鲁棒几何深度学习的理解,并具有多种应用。该项目将为本科生和研究生提供应用数学、工程和数据科学方面的跨学科培训,该项目的首要主题是利用微分几何、应用调和分析等数学工具。应用概率来提高机器学习模型的统计效率。特别强调了广泛适用于一般特征域上的任意李群表示的严格分析和推广。​深度分布学习的对称性保持,并提出了一个统一的框架,用于数据有效地生成具有内在结构的分布,包括但不限于组对称性;在此,将通过样本复杂性分析来严格量化改进的统计效率。该项目将广泛适用于不同学科,为大数据计算和几何建模的下一代数学工具提供基本构建模块。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值进行评估,被认为值得支持以及更广泛的影响审查标准。

项目成果

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