Interfacial problems in data science and PDEs

数据科学和偏微分方程中的界面问题

基本信息

  • 批准号:
    2400641
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 27万
  • 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:
    2023-10-01 至 2026-08-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

This project involves the development and analysis of mathematical models where the structure of interfaces between different phases or classes is an essential feature that arises in a range of applications. The frameworks specifically addressed in this project are models for tumor growth and the robustness of machine learning classification systems to malicious attackers, the latter also known in the literature as adversarial attacks. In the case of tumor growth, the key interface is the boundary separating the cancerous region and the healthy cell region. Tracking and predicting the shape of this boundary has important implications for disease treatment and prognosis. The key interfaces for robust machine learning classification are the decision boundaries between different classes. If a classifier has extremely irregular decision boundaries, then an adversary can produce erroneous results by slightly perturbing the input data. These attacks are particularly striking in computer vision, where pixel changes that are imperceptible to human vision can fool well-trained models with high confidence. This project will advance our knowledge in both of these applications by studying the theoretical properties of these interfaces and by developing new computational algorithms and software to simulate these interfaces. This project will also involve the training of graduate students. In the case of tumor growth, the project will focus on fluid mechanical models for cell growth based on partial differential equations. On the theoretical side, the well-posedness of these models and an understanding of how model choice and parameter regimes affect the regularity of the tumor boundary will be established. In addition, efficient numerical solvers will be developed, paying particular attention to model instances that are too challenging for the current theoretical understanding, including models where even the global-in-time existence of weak solutions is unknown. In the case of data classification, a better understanding of the regularizing effect that adversarial learning has on class interfaces will be established, and these insights will be used to guide parameter choices. Theoretical work that has connected adversarial learning to barycenter problems with respect to optimal transport distances will also be further developed.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.
该项目涉及数学模型的开发和分析,其中不同阶段或类之间的接口结构是在一系列应用中产生的重要特征。该项目中专门解决的框架是肿瘤生长的模型和机器学习分类系统对恶意攻击者的鲁棒性,后者在文献中也称为对抗性攻击。在肿瘤生长的情况下,关键界面是将癌区域和健康细胞区域区分开的边界。 跟踪和预测该边界的形状对疾病治疗和预后具有重要意义。 强大的机器学习分类的关键接口是不同类之间的决策边界。 如果分类器具有极为不规则的决策边界,则对手可以通过稍微扰动输入数据产生错误的结果。 这些攻击在计算机视觉中尤为惊人,在计算机视觉中,像素的变化对人类视野无法察觉,可以高度信心欺骗训练有素的模型。 该项目将通过研究这些接口的理论属性以及开发新的计算算法和软件来模拟这些接口,从而提高我们在这两个应用程序中的知识。该项目还将涉及研究生的培训。在肿瘤生长的情况下,该项目将集中于基于部分微分方程的细胞生长的流体机械模型。 在理论方面,将建立这些模型的适当性,并了解模型选择和参数状态如何影响肿瘤边界的规律性。 此外,将开发有效的数值求解器,特别关注模型实例,这些实例对于当前的理论理解过于挑战,包括甚至较弱解决方案的全球及时存在的模型。 在数据分类的情况下,可以更好地理解对抗性学习对类界面的正则效果,并且这些见解将用于指导参数选择。将对抗性学习与最佳运输距离有关的barycenter问题的理论工作也将进一步发展。该奖项反映了NSF的法定任务,并被认为是值得通过基金会的知识分子优点和更广泛影响的评估评估标准来通过评估来支持的。

项目成果

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会议论文数量(0)
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