Bitte benutzen Sie diese Referenz, um auf diese Ressource zu verweisen: doi:10.22028/D291-36738
Titel: Connections Between Numerical Algorithms for PDEs and Neural Networks
VerfasserIn: Alt, Tobias
Schrader, Karl
Augustin, Matthias
Peter, Pascal
Weickert, Joachim
Sprache: Englisch
Titel: Journal of Mathematical Imaging and Vision
Verlag/Plattform: Springer Nature
Erscheinungsjahr: 2022
Freie Schlagwörter: Numerical algorithms
Partial differential equations
Neural networks
Nonlinear diffusion
Stability
DDC-Sachgruppe: 004 Informatik
510 Mathematik
Dokumenttyp: Journalartikel / Zeitschriftenartikel
Abstract: We investigate numerous structural connections between numerical algorithms for partial differential equations (PDEs) and neural architectures. Our goal is to transfer the rich set of mathematical foundations from the world of PDEs to neural networks. Besides structural insights, we provide concrete examples and experimental evaluations of the resulting architectures. Using the example of generalised nonlinear diffusion in 1D, we consider explicit schemes, acceleration strategies thereof, implicit schemes, and multigrid approaches. We connect these concepts to residual networks, recurrent neural networks, and U-net architectures. Our findings inspire a symmetric residual network design with provable stability guarantees and justify the effectiveness of skip connections in neural networks from a numerical perspective. Moreover, we present U-net architectures that implement multigrid techniques for learning efficient solutions of partial differential equation models, and motivate uncommon design choices such as trainable nonmonotone activation functions. Experimental evaluations show that the proposed architectures save half of the trainable parameters and can thus outperform standard ones with the same model complexity. Our considerations serve as a basis for explaining the success of popular neural architectures and provide a blueprint for developing new mathematically well-founded neural building blocks.
DOI der Erstveröffentlichung: 10.1007/s10851-022-01106-x
URL der Erstveröffentlichung: https://link.springer.com/article/10.1007/s10851-022-01106-x
Link zu diesem Datensatz: urn:nbn:de:bsz:291--ds-367386
hdl:20.500.11880/33382
http://dx.doi.org/10.22028/D291-36738
ISSN: 1573-7683
0924-9907
Datum des Eintrags: 11-Jul-2022
Fakultät: MI - Fakultät für Mathematik und Informatik
Fachrichtung: MI - Informatik
MI - Mathematik
Professur: MI - Prof. Dr. Joachim Weickert
MI - Keiner Professur zugeordnet
Sammlung:SciDok - Der Wissenschaftsserver der Universität des Saarlandes

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