深度学习中的可微编程:从微分方程到物理模拟

可微编程:科学计算的端到端可导范式 可微编程是一种将物理建模、数值求解与机器学习统一于自动微分框架的新型科学计算范式。其核心在于构建端到端可导的计算图,使偏微分方程求解器、观测算子和损失函数均支持梯度回传,从而实现物理约束与数据驱动的协同优化。该技术显著提升参数反演、代理模型构建和设计优化等任务的效率与泛化性,尤其适用于小样本、高保真要求的工程仿真场景。依托JAX、TorchDiffeq等可微框架,用户无需手动推导雅可比矩阵,即可完成热传导反演、流场控制、材料本构校准等典型任务。可微编程不是替代传统数值方法,而是为其注入梯度感知能力,推动科学 阅读详情
AI摘要

可微编程是深度学习新兴概念,将传统数学模型与深度学习结合,通过自动微分使模型可学习且具可解释性。它在科学计算、机器人控制等多领域有应用,如Neural ODEs处理连续时间序列。还能用于物理模拟,未来将控制模型复杂度、结合其他技术并拓展跨学科应用。

引言

可微编程(Differentiable Programming)是深度学习领域的一个新兴概念,旨在将传统编程中的数学模型(如微分方程)与深度学习模型结合,构建出更加灵活、可解释的模型。这一技术为物理模拟、科学计算等领域带来了新的可能性,使得深度学习不仅能够进行预测,还能融入复杂的物理规律进行精确模拟。本篇博文将探讨可微编程的基本原理、常见应用场景,特别是在物理模拟中的实践,以及未来的发展方向。

1. 什么是可微编程?深度学习中的微分计算

可微编程的核心思想是将传统编程中的数学模型与深度学习的自动微分能力结合,使得这些模型不仅能够通过数据学习参数,还能保持其可解释性和物理一致性。

  • 可微编程的基本概念:

    • 自动微分(Automatic Differentiation):深度学习中广泛使用的技术,通过计算图的方式高效地计算函数的导数,使得复杂模型的训练成为可能。可微编程通过自动微分,使得传统数学模型(如微分方程)在优化过程中具有可微性,从而能够通过梯度下降等方法进行学习。

    • 神经网络与数学模型的结合:可微编程将神经网络与数学模型结合,神经网络负责学习复杂的非线性特征,而数学模型则提供模型的物理背景或结构约束。这样,模型既具备深度学习的灵活性,又保留了物理模型的可解释性。

  • 可微编程的应用场景:

    • 科学计算:在需要精确计算和物理一致性的科学计算中,可微编程可以用来替代传统的数值方法,提高计算效率,并融入更多的学习能力。
    • 机器人控制:通过将物理引擎与神经网络结合,可微编程可以帮助机器人学习复杂的动态控制任务,同时保持物理上的合理性。
    • 金融建模:可微编程在金融领域可用于构建更加精确的金融模型,如期权定价模型,通过学习市场数据提高模型的预测精度。
2. 将神经网络与微分方程结合:Neural ODEs

神经常微分方程(Neural Ordinary Differential Equations, Neural ODEs)是可微编程的一个重要分支,旨在将神经网络与常微分方程(ODE)结合,从而使得模型在处理连续时间序列数据时更加灵活和高效。

  • Neural ODEs的基本原理:

    • 常微分方程的表示:传统的神经网络通过离散层次传递信息,而Neural ODEs将这一过程看作连续的时间演化过程。通过引入常微分方程,模型能够学习如何在时间维度上演化状态。

    • 公式表示:
      dh(t)dt=f(h(t),t;θ) \frac{d\mathbf{h}(t)}{dt} = f(\mathbf{h}(t), t; \theta) dtdh(t)​=f(h(t),t;θ)
      其中,h(t)\mathbf{h}(t)h(t)表示系统状态,f(⋅)f(\cdot)f(⋅)是神经网络,θ\thetaθ是待学习的参数。

  • Neural ODEs的应用场景:

    • 时间序列预测:在时间序列数据中,Neural ODEs可以建模连续的时间演化过程,适用于金融数据、物理现象等需要精确时间建模的场景。
    • 物理模拟:Neural ODEs可以用于模拟连续物理系统,如流体动力学、电路系统等,通过学习系统的动力学方程,提高模拟精度。
3. 可微物理模拟:从力学系统到流体动力学

可微物理模拟是可微编程在物理模拟领域的重要应用,旨在通过深度学习模型和物理方程的结合,实现对复杂物理系统的高效模拟。

  • 力学系统的可微模拟:

    • 质点系统:在经典力学中,质点系统是最基础的物理模型之一。通过可微编程,模型能够学习质点的运动规律,并通过微分方程模拟其轨迹。
    • 机器人动力学:在机器人控制中,模型需要考虑力学约束,如摩擦力、重力等。可微编程能够通过物理引擎与神经网络的结合,模拟机器人的动态行为,提高控制精度。
  • 流体动力学的可微模拟:

    • 流体模拟:流体动力学是一个复杂的非线性系统,传统的数值模拟方法计算量巨大。通过可微编程,模型能够学习流体的动力学方程,如Navier-Stokes方程,从而实现高效的流体模拟。
    • 空气动力学:在航空航天领域,空气动力学的模拟至关重要。可微编程通过结合深度学习和流体动力学方程,可以提高空气动力学模型的计算效率和精度,助力飞机设计和优化。
4. 科学计算中的可微编程应用

可微编程在科学计算中展现了巨大的潜力,特别是在需要精确计算和高效模拟的领域。

  • 计算物理:

    • 天体物理模拟:在天体物理中,模拟天体的运动和相互作用是一个典型的科学计算问题。可微编程能够通过学习天体的动力学方程,实现更高效的模拟,帮助科学家探索宇宙的奥秘。
    • 气候模型:气候模拟涉及大规模的复杂计算,可微编程可以帮助构建更精确的气候模型,通过深度学习与气候方程的结合,提升气候预测的准确性。
  • 生物医学:

    • 药物设计:在药物设计中,分子动力学的模拟是关键步骤。可微编程可以帮助模拟分子的运动和相互作用,从而加速新药的研发。
    • 基因调控网络:可微编程还可以用于模拟基因调控网络,通过学习基因之间的复杂关系,提高对生物系统的理解。
5. 可微编程的未来发展方向

尽管可微编程在许多领域展现了潜力,但仍存在挑战。未来的研究将集中在以下几个方向:

  • 模型复杂度的控制:随着模型的复杂性增加,计算效率和可解释性可能受到影响。未来的研究将致力于平衡模型的复杂度与计算效率。

  • 与其他技术的结合:将可微编程与其他技术(如强化学习、图神经网络)结合,可能会产生新的计算范式,进一步扩展其应用领域。

  • 跨学科应用:可微编程在科学计算、生物医学、金融建模等多个领域都有广泛的应用前景。未来的研究将探索其在更多学科中的应用,推动科学研究和

工程设计的创新。

总结

可微编程通过将深度学习与传统数学模型结合,为科学计算、物理模拟等领域带来了新的解决方案。通过引入微分方程、物理规律等结构化信息,可微编程能够在复杂系统中实现更精确的模拟和计算。尽管面临模型复杂度和计算效率的挑战,未来的研究将继续优化这一技术,并探索更多跨学科应用,为深度学习的发展开辟新的路径。

PINN深度学习求解微分方程系列一:求解框架 下面我将介绍内嵌物理知识神经网络(PINN)求解微分方程。首先介绍PINN基本方法,并基于Pytorch框架实现求解一维Poisson方程。 1.PINN简介 神经网络作为一种强大的信息处理工具在计算机视觉、生物医学、 油气工程领域得到广泛应用, 引发多领域技术变革.。深度学习网络具有非常强的学习能力, 不仅能发现物理规律, 还能求解偏微分方程.。近年来,基于深度学习的偏微分方程求解已是研究新热点。内嵌物理知识神经网络(PINN)是一种科学机器在传统数值领域的应用方法,能够用于解决与偏微分方程 (PDE) 阅读详情

相关推荐

可微编程:当深度学习遇见物理定律,重塑科学计算新范式

本文探讨了可微编程如何将深度学习与物理定律相结合,重塑科学计算范式。通过自动微分技术,它将物理方程融入可微计算图,使模型在数据驱动的同时遵守物理约束。文章以神经常微分方程为例,阐述了其在连续系统建模、科学模拟器优化等领域的应用,并分析了当前面临的挑战与最佳实践路径。

weixin_29056145的博客 134

【可微编程(Differentiable Programming)】

传统的编程是程序员写出的一行行代码,然后机器按照代码运行指令,输入根据这个代码得到输出。可微编程相当于是用神经网络代替程序员的工作,自己生成编程语言,或者程序员只提供少量的high-level的代码。因此可微编程可以简单理解成是把神经网络看作一门,而不是一个机器学习方法,从而描述我们客观世界的概念以及概念之间的关系。

hello 771

别再硬算微分方程了!用PyTorch+Neural ODEs搞定物理模拟(附代码)

本文介绍了如何利用PyTorch和Neural ODEs实现可微物理模拟,从弹簧振子到混沌系统的实战应用。通过自动微分和神经常微分方程,开发者可以告别手动推导微分方程的繁琐过程,实现高效、可微的物理模拟,适用于机器人控制、游戏开发等场景。

weixin_30352645的博客 319

使用并行可微模拟加速策略学习

ACCELERATED POLICY LEARNING WITH PARALLEL DIFFERENTIABLE SIMULATION 全文翻译我其实读的不是很懂,刚刚接触RL很多名词不知道什么意思怎么翻译。这是个翻译作业,和我一样英语不太好的同学可以用这个省去一些阅读障碍;也作为抛砖引玉,有想法的同学可以继续加强译文质量,省去挺多翻译上不必要的麻烦。通篇机翻+自己阅读修改关键处。word资源https://download.youkuaiyun.com/download/weixin_43395957/8579060

weixin_43395957的博客 1571

用PyTorch和JAX搞定可微物理模拟:从Neural ODEs到流体动力学的保姆级实践

本文详细介绍了如何使用PyTorch和JAX实现可微物理模拟,从基础的Neural ODEs到复杂的流体动力学系统。通过代码示例和性能优化技巧,帮助开发者掌握自动微分、梯度传递和性能调优等关键技能,适用于深度学习与科学计算的交叉领域。

weixin_30897233的博客 401

用PyTorch和JAX玩转可微物理模拟:从弹簧振子到流体动画的保姆级实践

本文详细介绍了如何使用PyTorch和JAX进行可微物理模拟,从基础的弹簧振子到复杂的流体动画实现。通过自动微分和可微编程范式,开发者能够高效地构建和优化物理系统,同时结合Neural ODEs等先进技术,提升模拟的准确性和性能。文章还提供了环境配置、代码示例和实战避坑指南,适合有一定Python和深度学习基础的读者。

weixin_30275415的博客 391

深度学习基础--不同网络种类--可微分编程;Differentiable Programming

可微分编程;Differentiable Programming   lecun说"深度学习已死,可微分编程万岁!",即深度学习这个词已死,该有新的名词可微分编程来替代它了。   深度学习的本质是可微分编程,那么,就把神经网络当函数用吧!   一个程序本身当成一个神经网络,然后自己调节参数。实现真正的可微分编程需要的就是自动化调参,于是乎,贝叶斯方法开始大量用于深度学习。 传统编程方法与可微分编程...

wydbyxr的博客 3484

物理信息神经网络与可微物理:AI赋能科学计算的核心技术与应用

深度学习与科学计算的交叉融合正催生新的技术范式。物理信息神经网络通过将物理定律作为约束嵌入损失函数,显著降低了对大规模标注数据的依赖,并保证了解的物理一致性。可微物理模拟则通过构建端到端可微分的计算图,实现了基于梯度的高效优化。这些技术为解决传统数值模拟计算成本高、难以处理反问题等挑战提供了新思路。在计算流体动力学领域,它们可用于构建快速代理模型或直接求解控制方程;在计算机图形学中,能实现实时、高保真的物理特效模拟;在生物医学和气候科学中,则有助于从稀疏数据中估计关键参数。通过PyTorch、JAX等框架以

weixin_33858336的博客 648

可微分编程:将编程语言引入到神经网络中,以提高效率和可重用性

综上所述,随着深度学习技术的不断发展,可微分编程成为了提高神经网络效率和可重用性的一种有效方法。通过将编程语言引入到神经网络中,可微分编程提高了神经网络模型的开发效率、可重用性、可读性和可维护性。此外,编程语言提供了一些高级的编程特性,例如循环和条件语句等,可以更加方便地进行复杂的操作。可微分编程是一种将编程语言引入到神经网络中的方法,通过定义可执行的计算图来构建神经网络。与传统的神经网络开发方法不同的是,可微分编程允许使用编程语言进行灵活的操作,从而提高了神经网络模型的可读性、可维护性和可重用性。

559

可微物理模拟:当深度学习遇见经典力学与流体方程

本文探讨了可微物理模拟如何将深度学习与经典力学、流体方程相结合,实现物理系统的智能化建模与优化。通过自动微分、物理约束和混合架构等关键技术,可微模拟在弹簧质点系统、湍流模拟及机器人控制等领域展现出显著优势,比传统方法提速20倍以上。文章还提供了工业级应用案例和实用避坑指南,为研究者提供从实验室到生产线的完整工具链参考。

weixin_29029995的博客 236

【信息科学与工程学】计算机科学与自动化——第三篇 计算理论基础04 大规模计算与并行计算理论

电路板(主板)是高度集成、为可靠性和扩展性设计的复杂系统平台。电容尤其是固态电容,是保障这个平台电力“洁净”和“稳定”的幕后英雄。它们通过滤波、去耦,确保了CPU、内存等核心部件在极端负载下的稳定工作,是服务器实现高可用性不可或缺的基石。如果把服务器CPU比作一个对饮食质量要求极高的运动员,那么主板供电电路就是“厨房系统”,而电容就是一组高效的“净水器和食物储备器”。

weixin_49199313的博客 1296

自动求导与可微分编程

可微分编程(Differentiable Programming)是一种编程范式,它允许程序中的计算过程能够进行自动求导(Automatic Differentiation)。在这一框架下,程序不仅可以执行常规的数值计算,而且其内部包含的函数和运算符都能够支持梯度的计算。这意味着整个程序可以被视为一个复杂的数学表达式或函数,可以方便地对其中任何一个参数或变量进行微分。在深度学习领域,可微分编程发挥着至关重要的作用。例如,在训练神经网络时,需要计算损失函数关于模型参数的梯度以更新这些参数。

xw555666的博客 1405

graph-nn-physics:图神经网络的可微物理模拟

图神经网络的微分物理模拟 这是用PyTorch编写的“的实现。 目前,基本的2D模拟效果很好。 我没有时间训练模型超过40万个时间段,因此当前结果没有像将网络训练到20M个时间段时那样完美。 在给出初始位置和五个先前速度后,以下是网络预测的一些示例: 如您所见,到目前为止,网络还没有完全学会尊重边界,并且由于某些原因,远离其他粒子的粒子会以奇怪的方向飞走(这可能是由于网络对没有粒子的粒子缺乏经验)边缘连接到他们)。 但是,它具有正确的想法,并且大多数模拟看起来都是合理的。 我预计该网络可能无需修改就可以使用3D数据集,但是训练这样的网络需要比我可以使用的tesla v100或RTX 3090更多的VRAM。 我确实有计划在某个时间在TPU上进行培训。 一旦有时间在2D水数据集上训练更多的10M纪元网络,我将发布更多的GIF(我尚未设置粒子嵌入)。 开始运行python -m gra

【AI系统】自动微分的挑战&未来

在前面的文章里面,分别介绍了什么是自动微分、如何实现自动微分,以及更加深入的自动微分的基本数学原理,并贯以具体的代码实现例子来说明业界主流的 AI 框架在自动微分实现方法,希望让你更加好地掌握自动微分端到端能力。虽然计算机实现自动微分已经发展了几十年,不过在自动微分的演进过程和未来发展,仍然遇到诸多挑战,这里主要总结两点:1)易用性;2)高效性能。针对这两点的改进,也是自动微分技术未来演进可以重点优化和改进的方向。

ZOMI酱 1183

OpenCompass实战:从零部署大模型评测平台,量化模型能力选型

在大模型技术选型与评估中,客观、可量化的评测体系是工程实践的关键。其核心原理在于通过标准化的数据集、统一的评测方法与自动化流程,将主观的模型体验转化为可比较的指标数据。这种评测框架的技术价值在于解决了模型能力评估的模糊性问题,为开发者提供了模型选型、效果对比与迭代优化的科学依据。典型的应用场景包括对比不同开源模型在代码生成、逻辑推理等特定任务上的性能,或是评估微调后模型在业务数据集上的提升效果。OpenCompass作为开源的大模型全能力评测平台,正是这一理念的工程化实现。它通过模块化的四层流水线架构和配置

weixin_28725037的博客 626

105. replace( )函数

【目录】

weixin_63986098的博客 1万+

前端智能化实践——可微编程

研究者表示,由于广泛的科学计算和机器学习领域在底层结构上都需要线性代数的支持,因此有可能以可微编程的形式,创造一种新的编程思想。下面,我们就一起进入这个全新的领域。

数据库技术 1174

蓝牙Channel Sounding为真正的距离感知赋能

1:工作原理蓝牙™信道探测使用两种经过验证的测距方法——PBR(PBR)和RTT(RTT),实现蓝牙设备之间的安全精密测距。

weixin_43720159的博客 805

从自动微分到可微编程设计(二)

摘要 自动微分(Automatic Differentiation,AD)是一种对计算机程序进行高效准确求导的技术,一直被广泛应用于计算流体力学、大气科学、工业设计仿真优化等领域。而近年来,机器学习技术的兴起也驱动着对自动微分技术的研究进入一个新的阶段。随着自动微分和其他微分技术研究的深入,其与编程语言、计算框架、编译器等领域的联系愈发紧密,从而衍生扩展出更通用的 可微编程 概念。本系列文章将对自动微分技术和可微编程的研究和发展进行概括综述。 本文将分为三部分,主要框架如下: 常见计算机程序求导方法介绍

pl_lab_001的博客 887

【Halcon】双目立体视觉引导机械手有序抓取,案例分享

本文介绍了一个基于双目视觉的工件定位与抓取系统。该系统使用两个工业相机组成双目视觉系统,通过标定获取相机参数,采用模板匹配算法识别任意摆放且可能交叠的工件。重点阐述了三维坐标获取方法,特别是通过Z方向高度实现有序抓取的策略。文章详细说明了系统搭建、双目标定、模板创建等关键步骤,并展示了特征点匹配和定位结果。该案例为初学者和开发者提供了双目视觉系统的基本实现参考,展示了机器视觉与机械手协同工作的典型应用场景。

机器视觉从业者 2489

EXCEL VBA从入门到精通 第一章:VBA入门

在VBA中,需要使用关键字Dim来定义一个变量,后面跟上变量名和变量的数据类型。例如,下面的代码定义了一个整型变量x和一个字符串变量name在VBA中,使用关键字Const来定义常量,后面跟上常量名和常量的值。例如,下面的代码定义了一个整型常量MAX_NUM和一个字符串常量MESSAGE需要注意的是,常量一旦被定义,其值就不能被改变。

1万+

可微编程与概率编程:Pyro与NumPyro的贝叶斯深度学习

本文深入探讨了可微编程与概率编程在贝叶斯深度学习中的融合应用,系统对比了基于PyTorch的Pyro和基于JAX的NumPyro两个主流概率编程框架。文章从概率编程基础原理出发,详细分析了贝叶斯深度学习的数学框架和实现模式,展示了如何使用Pyro和NumPyro构建贝叶斯神经网络、量化预测不确定性,并通过时间序列预测案例进行实战演示。文中提供了大量可运行代码示例,涵盖模型定义、变分推断、MCMC采样等关键技术,同时讨论了两种框架的设计哲学、性能特点和适用场景。贝叶斯深度学习不仅提供更可靠的预测,还能量化认知

AladdinEdu,你的AI学习实践工作坊。让想法落地,让研究加速。助力高校AI人才成长,点亮创新未来。 1061

ScanNetV2 数据集讲解和选择性下载

写在前面的话: 不可转载!!!!!!!!!!!! ScanNetV2一共1.2T,数据太大本文会简单讲解如何下载自己想要的文件,并附上修改后的下载程序 ScanNetV2:http://www.scan-net.org/ 简介 ScanNetV2的作者是斯坦福大学的博士,其团队通过收集RGB-D的视频序列,通过ipad应用加深传感器而收集的,然后视频会被上传到服务器,并被自动重建。然后,视频会被给到亚马逊 Mechanical Turk,将标注工作众包出去。ScanNetV2是RGB-D数据集,.

qq_35781447的博客 2万+
上一篇: 020 现代数据中心的路由与交换架构
下一篇: 5. 深度学习中的优化技术:从SGD到Adam
Network_Engineer
博客等级 码龄4年 2047粉丝 85原创
评论
成就一亿技术人!
拼手气红包6.0元
还能输入1000个字符
 
 条评论被折叠 查看
添加红包

请填写红包祝福语或标题

个

红包个数最小为10个

元

红包金额最低5元

当前余额3.43元 前往充值 >
需支付:10.00元
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包

打赏作者

Network_Engineer

你的鼓励将是我创作的最大动力

¥1 ¥2 ¥4 ¥6 ¥10 ¥20
扫码支付:¥1
获取中
扫码支付

您的余额不足,请更换扫码支付或充值

打赏作者

实付元
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值