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物理学 > 化学物理

arXiv:2505.21125 (physics)
[提交于 2025年5月27日 (v1) ,最后修订 2025年6月11日 (此版本, v2)]

标题: 更高效且可泛化的学习的动力学数据:无序弹性网络的案例研究

标题: Dynamical Data for More Efficient and Generalizable Learning: A Case Study in Disordered Elastic Networks

Authors:Salman N. Salman, Sergey A. Shteingolts, Ron Levie, Dan Mendels
摘要: 机器学习模型通常需要大规模数据集,并且难以泛化到训练分布之外。这些局限性在科学和工程背景下构成了重大挑战,在这些领域生成穷尽的数据集通常是不切实际的,目标往往是发现超出训练域的新颖解决方案。 在这项工作中,我们通过基于图神经网络的模拟器探索动态数据的应用,以实现在二维无序弹性网络单轴压缩背景下的高效系统-属性学习和分布外预测。我们发现该模拟器可以从少量训练样本中学到潜在的物理动力学,并准确再现未见过的网络的时间演化。值得注意的是,尽管模拟器没有明确针对此任务进行训练,但它能够准确预测泊松比及其随应变的变化等涌现性质。此外,它在系统温度、应变幅度以及尤其显著地在超出训练范围的泊松比变化上表现出良好的泛化能力。这些发现表明,使用动态数据来训练机器学习模型可以支持更高效和可泛化的材料和分子设计方法,尤其是在数据稀缺的情况下。
摘要: Machine learning models often require large datasets and struggle to generalize beyond their training distribution. These limitations pose significant challenges in scientific and engineering contexts, where generating exhaustive datasets is often impractical and the goal is frequently to discover novel solutions outside the training domain. In this work, we explore the use of dynamical data through a graph neural network-based simulator to enable efficient system-to-property learning and out-of-distribution prediction in the context of uniaxial compression of two-dimensional disordered elastic networks. We find that the simulator can learn the underlying physical dynamics from a small number of training examples and accurately reproduce the temporal evolution of unseen networks. Notably, the simulator is able to accurately predict emergent properties such as the Poisson's ratio and its dependence on strain, even though it was not explicitly trained for this task. In addition, it generalizes well across variations in system temperature, strain amplitude, and most significantly, Poisson's ratios beyond the training range. These findings suggest that using dynamical data to train machine learning models can support more data efficient and generalizable approaches for materials and molecular design, especially in data-scarce settings.
评论: 已添加参考章节标题。
主题: 化学物理 (physics.chem-ph) ; 材料科学 (cond-mat.mtrl-sci)
引用方式: arXiv:2505.21125 [physics.chem-ph]
  (或者 arXiv:2505.21125v2 [physics.chem-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2505.21125
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Salman N. Salman [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2025 年 5 月 27 日 12:44:17 UTC (1,835 KB)
[v2] 星期三, 2025 年 6 月 11 日 07:06:08 UTC (1,834 KB)
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