Comparative Study of Finite Element and Neural Network Discretizations for Partial Differential Equations
偏微分方程有限元与神经网络离散化的比较研究
基本信息
- 批准号:2424305
- 负责人:
- 金额:$ 55万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Continuing Grant
- 财政年份:2024
- 资助国家:美国
- 起止时间:2024-03-15 至 2025-07-31
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
This research connects two different fields, machine learning from data science and numerical partial differential equations from scientific and engineering computing, through the comparative study of the finite element method and finite neuron method. Finite element methods have undergone decades of study by mathematicians, scientists and engineers in many fields and there is a rich mathematical theory concerning them. They are widely used in scientific computing and modelling to generate accurate simulations of a wide variety of physical processes, most notably the deformation of materials and fluid mechanics. By contrast, deep neural networks are relatively new and have only been widely used in the last decade. In this short time, they have demonstrated remarkable empirical performance on a wide variety of machine learning tasks, most notably in computer vision and natural language processing. Despite this great empirical success, there is still a very limited mathematical understanding of why and how deep neural networks work so well. We hope to leverage the success of deep learning to improve numerical methods for partial differential equations and to leverage the theoretical understanding of the finite element method to better understand deep learning. The interdisciplinary nature of the research will also provide a good training experience for junior researchers. This project will support 1 graduate student each year of the three year project. Piecewise polynomials represent one of the most important functional classes in approximation theory. In classical approximation theory and numerical methods for partial differential equations, these functional classes are often represented by linear functional spaces associated with a priori given grids, for example, by splines and finite element spaces. In deep learning, function classes are typically represented by a composition of a sequence of linear functions and coordinate-wise non-linearities. One important non-linearity is the rectified linear unit (ReLU) function and its powers (ReLUk). The resulting functional class, ReLUk-DNN, does not form a linear vector space but is rather parameterized non-linearly by a high-dimensional set of parameters. This function class can be used to solve partial differential equations and we call the resulting numerical algorithms the finite neuron method (FNM). Proposed research topics include: error estimates for the finite neuron method, universal construction of conforming finite elements for arbitrarily high order partial differential equations, an investigation into how and why the finite neuron method gives a much better asymptotic error estimate than the corresponding finite element method, and the development and analysis of efficient algorithms for using the finite neuron method.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.
这项研究通过有限元方法和有限神经元方法的比较研究,连接了数据科学中的机器学习和科学与工程计算中的数值偏微分方程这两个不同的领域。有限元方法经过了许多领域的数学家、科学家和工程师数十年的研究,并有丰富的数学理论。它们广泛用于科学计算和建模,以生成各种物理过程的精确模拟,尤其是材料的变形和流体力学。相比之下,深度神经网络相对较新,直到最近十年才被广泛使用。在很短的时间内,他们在各种机器学习任务上表现出了卓越的经验表现,尤其是在计算机视觉和自然语言处理方面。尽管在实证上取得了巨大的成功,但对于深度神经网络为何以及如何如此有效地工作,人们的数学理解仍然非常有限。我们希望利用深度学习的成功来改进偏微分方程的数值方法,并利用对有限元方法的理论理解来更好地理解深度学习。研究的跨学科性质也将为初级研究人员提供良好的培训经历。该项目将在为期三年的项目中每年支持 1 名研究生。分段多项式代表逼近论中最重要的函数类之一。 在偏微分方程的经典逼近理论和数值方法中,这些函数类通常由与先验给定网格相关联的线性函数空间表示,例如通过样条和有限元空间。在深度学习中,函数类通常由线性函数序列和坐标非线性函数的组合表示。一种重要的非线性是修正线性单元 (ReLU) 函数及其幂 (ReLUk)。 由此产生的函数类 ReLUk-DNN 并不形成线性向量空间,而是通过一组高维参数进行非线性参数化。 该函数类可用于求解偏微分方程,我们将所得的数值算法称为有限神经元法(FNM)。拟议的研究主题包括:有限神经元方法的误差估计、任意高阶偏微分方程的一致有限元的通用构造、研究有限神经元方法如何以及为何给出比相应有限元方法更好的渐近误差估计,以及使用有限神经元方法的有效算法的开发和分析。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并且通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。
项目成果
期刊论文数量(0)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}
{{
item.title }}
{{ item.translation_title }}
- DOI:
{{ item.doi }} - 发表时间:
{{ item.publish_year }} - 期刊:
- 影响因子:{{ item.factor }}
- 作者:
{{ item.authors }} - 通讯作者:
{{ item.author }}
数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}
{{ item.title }}
- 作者:
{{ item.author }}
数据更新时间:{{ monograph.updateTime }}
{{ item.title }}
- 作者:
{{ item.author }}
数据更新时间:{{ sciAawards.updateTime }}
{{ item.title }}
- 作者:
{{ item.author }}
数据更新时间:{{ conferencePapers.updateTime }}
{{ item.title }}
- 作者:
{{ item.author }}
数据更新时间:{{ patent.updateTime }}
Jonathan Siegel其他文献
Capital Gains Realizations of the Rich and Sophisticated
富人和成熟人士的资本收益变现
- DOI:
10.1257/aer.90.2.276 - 发表时间:
2000-02-01 - 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:
A. Auerbach;Jonathan Siegel - 通讯作者:
Jonathan Siegel
Jonathan Siegel的其他文献
{{
item.title }}
{{ item.translation_title }}
- DOI:
{{ item.doi }} - 发表时间:
{{ item.publish_year }} - 期刊:
- 影响因子:{{ item.factor }}
- 作者:
{{ item.authors }} - 通讯作者:
{{ item.author }}
{{ truncateString('Jonathan Siegel', 18)}}的其他基金
US Participation at the Twenty-sixth International Domain Decomposition Conference
美国参加第二十六届国际域名分解会议
- 批准号:
2216799 - 财政年份:2022
- 资助金额:
$ 55万 - 项目类别:
Standard Grant
Comparative Study of Finite Element and Neural Network Discretizations for Partial Differential Equations
偏微分方程有限元与神经网络离散化的比较研究
- 批准号:
2111387 - 财政年份:2021
- 资助金额:
$ 55万 - 项目类别:
Continuing Grant
Synaptic Physiology in the Isolated Mammalian Cochlea
离体哺乳动物耳蜗的突触生理学
- 批准号:
9114245 - 财政年份:1991
- 资助金额:
$ 55万 - 项目类别:
Standard Grant
Studies of Cochlear Hair Cell Synaptic Mechanisms
耳蜗毛细胞突触机制的研究
- 批准号:
8217273 - 财政年份:1983
- 资助金额:
$ 55万 - 项目类别:
Standard Grant
相似国自然基金
有限混合模型的分布式学习方法与理论性质
- 批准号:12301391
- 批准年份:2023
- 资助金额:30 万元
- 项目类别:青年科学基金项目
基于深度学习和恰当正交分解的降阶时空有限元法研究
- 批准号:12301494
- 批准年份:2023
- 资助金额:30 万元
- 项目类别:青年科学基金项目
有限样本下城轨列车轴箱轴承可持续学习剩余寿命预测方法研究
- 批准号:
- 批准年份:2022
- 资助金额:30 万元
- 项目类别:青年科学基金项目
基于深度学习与双尺度有限元方法融合的泡沫铝结构冲击性能研究
- 批准号:
- 批准年份:2022
- 资助金额:54 万元
- 项目类别:面上项目
基于机器学习和晶体塑形有限元的多尺度“孪晶-反孪晶-再孪晶”机理研究
- 批准号:
- 批准年份:2020
- 资助金额:24 万元
- 项目类别:
相似海外基金
Comparative Study of Finite Element and Neural Network Discretizations for Partial Differential Equations
偏微分方程有限元与神经网络离散化的比较研究
- 批准号:
2111387 - 财政年份:2021
- 资助金额:
$ 55万 - 项目类别:
Continuing Grant
Lifestyle Intervention plus Metformin to Treat Frailty in Older Veterans with Obesity
生活方式干预加二甲双胍治疗老年肥胖退伍军人的虚弱
- 批准号:
10289701 - 财政年份:2020
- 资助金额:
$ 55万 - 项目类别:
Lifestyle Intervention plus Metformin to Treat Frailty in Older Veterans with Obesity
生活方式干预加二甲双胍治疗老年肥胖退伍军人的虚弱
- 批准号:
10316270 - 财政年份:2020
- 资助金额:
$ 55万 - 项目类别:
Lifestyle Intervention plus Metformin to Treat Frailty in Older Veterans with Obesity
生活方式干预加二甲双胍治疗老年肥胖退伍军人的虚弱
- 批准号:
10015506 - 财政年份:2020
- 资助金额:
$ 55万 - 项目类别:
Comparative study of planning the civil protection: especially Japan, South Korea and U.K.
民事保护规划比较研究:特别是日本、韩国和英国
- 批准号:
15K03302 - 财政年份:2015
- 资助金额:
$ 55万 - 项目类别:
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)