Collaborative Research: Friedrichs Learning: Mathematical Foundation and Applications

合作研究:弗里德里希学习:数学基础与应用

基本信息

  • 批准号:
    2206333
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 12.59万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-08-01 至 2025-07-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Artificial intelligence (AI) via deep learning has revolutionized the development of science and engineering, addressing many challenges in biology, material sciences, chemistry, and other areas. Despite its importance, the mathematical foundation of AI is still underdeveloped. The project aims to develop a mathematical foundation for novel AI learning algorithms in applications to biology and engineering. Novel theories and learning algorithms will advance computational and data-based methods, connecting several disciplines in machine learning, mathematical analysis, and computational science. The project will also provide training opportunities and strengthen future workforces. The project aims to develop a mathematical framework for a minimax optimization of a machine learning problem in the weak sense. This learning problem setting is inspired by the seminal work of Friedrichs’ theory for partial differential equation systems, which is called Friedrichs learning. The research will focus on gradient-based methods to solve the minimax optimization problem. The investigators will establish a systematic theoretical framework, including approximation theory in the weak form, optimal convergence for deep neural networks in the minimax setting, and generalization analysis of deep learning in the weak form. The results will provide new insights to explain the role of test functions in the weak form. The results will further advance deep learning techniques with more reliable predictions and computation with a better risk assessment in a principled manner instead of trial and error. The theoretical analysis in this project will be the building block of new theories in the strong form of standard deep learning techniques in the literature.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.
通过深度学习实现的人工智能(AI)彻底改变了科学和工程的发展,解决了生物学、材料科学、化学和其他领域的许多挑战。尽管人工智能很重要,但它的数学基础仍然不发达。该项目旨在为生物学和工程应用中的新型AI学习算法开发数学基础。新的理论和学习算法将推进计算和基于数据的方法,连接机器学习,数学分析和计算科学中的几个学科。该项目还将提供培训机会,加强未来的劳动力队伍。该项目旨在为弱意义上的机器学习问题的极大极小优化开发一个数学框架。这个学习问题设置的灵感来自于弗里德里希的偏微分方程系统理论的开创性工作,这被称为弗里德里希学习。研究将集中在基于梯度的方法来解决极大极小优化问题。研究人员将建立一个系统的理论框架,包括弱形式的近似理论,minimax设置下深度神经网络的最优收敛,以及弱形式的深度学习的泛化分析。结果将提供新的见解来解释弱形式的测试函数的作用。这些结果将进一步推进深度学习技术,使其具有更可靠的预测和计算,并以原则性的方式进行更好的风险评估,而不是反复试验。该项目中的理论分析将成为文献中标准深度学习技术强有力形式的新理论的基石。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估而被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
PiPs: A Kernel-based Optimization Scheme for Analyzing Non-Stationary 1D Signals
  • DOI:
    10.1016/j.acha.2023.04.002
  • 发表时间:
    2018-05
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.5
  • 作者:
    Jieren Xu;Yitong Li;Haizhao Yang;D. Dunson;I. Daubechies
  • 通讯作者:
    Jieren Xu;Yitong Li;Haizhao Yang;D. Dunson;I. Daubechies
From Optimization Dynamics to Generalization Bounds via {\L}ojasiewicz Gradient Inequality
通过 {L}ojasiewicz 梯度不等式从优化动态到泛化界限
The Discovery of Dynamics via Linear Multistep Methods and Deep Learning: Error Estimation
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2021-03
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Q. Du;Yiqi Gu;Haizhao Yang;Chao Zhou
  • 通讯作者:
    Q. Du;Yiqi Gu;Haizhao Yang;Chao Zhou
Deep Network Approximation: Achieving Arbitrary Accuracy with Fixed Number of Neurons
  • DOI:
  • 发表时间:
    2021-07
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Zuowei Shen;Haizhao Yang;Shijun Zhang
  • 通讯作者:
    Zuowei Shen;Haizhao Yang;Shijun Zhang
Optimal Approximation Rate of ReLU Networks in terms of Width and Depth
  • DOI:
    10.1016/j.matpur.2021.07.009
  • 发表时间:
    2021-02
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Zuowei Shen;Haizhao Yang;Shijun Zhang
  • 通讯作者:
    Zuowei Shen;Haizhao Yang;Shijun Zhang
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    Jianfeng Lu;Haizhao Yang
  • 通讯作者:
    Haizhao Yang
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  • 通讯作者:
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  • 作者:
    Haizhao Yang
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    $ 12.59万
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  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 12.59万
  • 项目类别:
    Training Grant
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