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计算机科学 > 机器学习

arXiv:2508.05921v1 (cs)
[提交于 2025年8月8日 ]

标题: 快速、凸性和条件网络用于多保真度向量和刚性一元微分方程

标题: Fast, Convex and Conditioned Network for Multi-Fidelity Vectors and Stiff Univariate Differential Equations

Authors:Siddharth Rout
摘要: 神经PDE求解器的准确性往往不是因为表达能力有限,而是由于病态条件导致的优化不佳,尤其是在多保真度和刚性问题中。我们研究了这一问题,在物理信息极端学习机(PIELMs)中,这是一种凸变体的神经PDE求解器,我们展示了控制方程中的渐近成分会产生高度病态的激活矩阵,严重限制收敛。我们引入了移位高斯编码,这是一种简单而有效的激活过滤步骤,可以在保持凸性的前提下增加矩阵秩和表达能力。我们的方法将稳态对流-扩散方程中的佩克莱特数的可解范围扩展了两个数量级,在多频函数学习上实现了误差降低六个数量级,并且比具有超过一百万参数的深度网络更准确、更快地拟合高保真图像向量。这项工作强调了条件性而不是深度通常是科学神经求解器的瓶颈,并且简单的架构变化可以释放显著的收益。
摘要: Accuracy in neural PDE solvers often breaks down not because of limited expressivity, but due to poor optimisation caused by ill-conditioning, especially in multi-fidelity and stiff problems. We study this issue in Physics-Informed Extreme Learning Machines (PIELMs), a convex variant of neural PDE solvers, and show that asymptotic components in governing equations can produce highly ill-conditioned activation matrices, severely limiting convergence. We introduce Shifted Gaussian Encoding, a simple yet effective activation filtering step that increases matrix rank and expressivity while preserving convexity. Our method extends the solvable range of Peclet numbers in steady advection-diffusion equations by over two orders of magnitude, achieves up to six orders lower error on multi-frequency function learning, and fits high-fidelity image vectors more accurately and faster than deep networks with over a million parameters. This work highlights that conditioning, not depth, is often the bottleneck in scientific neural solvers and that simple architectural changes can unlock substantial gains.
主题: 机器学习 (cs.LG) ; 泛函分析 (math.FA); 表示理论 (math.RT); 计算物理 (physics.comp-ph)
引用方式: arXiv:2508.05921 [cs.LG]
  (或者 arXiv:2508.05921v1 [cs.LG] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.05921
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)

提交历史

来自: Siddharth Rout [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2025 年 8 月 8 日 00:51:38 UTC (1,444 KB)
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