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ChemNODE: A neural ordinary differential equations framework for efficient chemical kinetic solvers
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作者 Opeoluwa Owoyele Pinaki Pal 《Energy and AI》 2022年第1期142-148,共7页
Solving for detailed chemical kinetics remains one of the major bottlenecks for computational fluid dynamics simulations of reacting flows using a finite-rate-chemistry approach.This has motivated the use of neural ne... Solving for detailed chemical kinetics remains one of the major bottlenecks for computational fluid dynamics simulations of reacting flows using a finite-rate-chemistry approach.This has motivated the use of neural networks to predict stiff chemical source terms as functions of the thermochemical state of the combustion system.However,due to the nonlinearities and multi-scale nature of combustion,the predicted solution often diverges from the true solution when these machine learning models are coupled with a computational fluid dynamics solver.This is because these approaches minimize the error during training without guaranteeing successful integration with ordinary differential equation solvers.In the present work,a novel neural ordinary differential equations approach to modeling chemical kinetics,termed as ChemNODE,is developed.In this machine learning framework,the chemical source terms predicted by the neural networks are integrated during training,and by computing the required derivatives,the neural network weights are adjusted accordingly to minimize the difference between the predicted and ground-truth solution.A proof-of-concept study is performed with ChemNODE for homogeneous autoignition of hydrogen-air mixture over a range of composition and thermodynamic conditions.It is shown that ChemNODE accurately captures the chemical kinetic behavior and reproduces the results obtained using the detailed kinetic mechanism at a fraction of the computational cost. 展开更多
关键词 Machine learning Neural ordinary differential equations Artificial neural networks Deep learning Chemical kinetics Artificial neural network Chemistry solvers
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图神经常微分方程综述
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作者 焦鹏飞 陈舒欣 +2 位作者 郭翾 何东晓 刘栋 《计算机研究与发展》 EI CSCD 北大核心 2024年第8期2045-2066,共22页
图神经网络(graph neural network,GNN)是处理图结构数据的强大工具,能够捕捉节点间的复杂关系和特征.但GNN的离散架构导致其在表示图结构、建模图演化、适应不规则数据和计算开销等方面面临诸多挑战.面对这些挑战,神经常微分方程(ordin... 图神经网络(graph neural network,GNN)是处理图结构数据的强大工具,能够捕捉节点间的复杂关系和特征.但GNN的离散架构导致其在表示图结构、建模图演化、适应不规则数据和计算开销等方面面临诸多挑战.面对这些挑战,神经常微分方程(ordinary differential equation,ODE)由于能够模拟系统状态的连续变化,具备“连续深度”的编码和推断能力,被作为解决GNN面临挑战的全新方法而引入.然而,神经ODE是为欧式结构数据设计的,无法直接捕捉图结构特性.因此,提出了图神经ODE,一种将神经ODE与GNN结合的新架构,可以更好地适应图结构数据并充分利用其特性.近年来,图神经ODE相关研究已经深入到图机器学习的各个方向中,引发了新的研究热潮.在此背景下,适时地对图神经ODE研究前沿进行了系统性综述.首先,回顾了GNN的关键优势和面临的诸多挑战,阐述了引入神经ODE并与GNN结合的理论基础和实践意义.随后,详细介绍了图神经ODE的背景和基本概念,并提出了一种新颖的分类方法,在此基础上对当前的相关方法进行了全面描述.然后,介绍了相关研究常用的验证方法,包括下游任务及数据集.进一步,深入探讨了图神经ODE在多个实用领域上的应用.最后,对图神经ODE面临的挑战和未来发展趋势进行了总结和展望. 展开更多
关键词 图机器学习 图神经网络 神经常微分方程 分类体系 综述
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基于学习通与小班个性化模式常微分方程的教学实践 被引量:1
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作者 杨文杰 张佳佳 郑前前 《科技风》 2024年第8期40-42,共3页
常微分方程是本科阶段数学专业学生的一门必修课程,被广泛应用于物理、化学、生物、医学等方面,渗透于生活的方方面面。因此学好常微分方程显得尤为重要。将学习通平台与小班化教学相结合的教学模式运用到常微分方程的教学中,充分利用... 常微分方程是本科阶段数学专业学生的一门必修课程,被广泛应用于物理、化学、生物、医学等方面,渗透于生活的方方面面。因此学好常微分方程显得尤为重要。将学习通平台与小班化教学相结合的教学模式运用到常微分方程的教学中,充分利用“超星学习通”这一平台,为小班中的每个学生定制个人错题本,针对其易错点,进行“培优补弱”,二者的结合能带来更好的教学效果。 展开更多
关键词 超星学习通 小班化教学 常微分方程
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Coupled Cross-correlation Neural Network Algorithm for Principal Singular Triplet Extraction of a Cross-covariance Matrix 被引量:2
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作者 Xiaowei Feng Xiangyu Kong Hongguang Ma 《IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica》 SCIE EI 2016年第2期149-156,共8页
This paper proposes a novel coupled neural network learning algorithm to extract the principal singular triplet (PST) of a cross-correlation matrix between two high-dimensional data streams. We firstly introduce a nov... This paper proposes a novel coupled neural network learning algorithm to extract the principal singular triplet (PST) of a cross-correlation matrix between two high-dimensional data streams. We firstly introduce a novel information criterion (NIC), in which the stationary points are singular triplet of the crosscorrelation matrix. Then, based on Newton's method, we obtain a coupled system of ordinary differential equations (ODEs) from the NIC. The ODEs have the same equilibria as the gradient of NIC, however, only the first PST of the system is stable (which is also the desired solution), and all others are (unstable) saddle points. Based on the system, we finally obtain a fast and stable algorithm for PST extraction. The proposed algorithm can solve the speed-stability problem that plagues most noncoupled learning rules. Moreover, the proposed algorithm can also be used to extract multiple PSTs effectively by using sequential method. © 2014 Chinese Association of Automation. 展开更多
关键词 Clustering algorithms Covariance matrix Data mining differential equations EXTRACTION learning algorithms Negative impedance converters Newton Raphson method ordinary differential equations Singular value decomposition
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合作学习与数学建模在常微分方程教学中的应用 被引量:3
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作者 苗春梅 张晓颖 《长春大学学报》 2017年第10期88-90,共3页
常微分方程是高等院校数学类、信息与计算科学等专业的重要专业基础课之一。如何使学生在学习过程中掌握常微分方程的思想方法、具备以常微分方程为理论工具解决实际问题的能力,是常微分方程教学与改革中必须要解决的问题。本文结合常... 常微分方程是高等院校数学类、信息与计算科学等专业的重要专业基础课之一。如何使学生在学习过程中掌握常微分方程的思想方法、具备以常微分方程为理论工具解决实际问题的能力,是常微分方程教学与改革中必须要解决的问题。本文结合常微分方程课程的特质,探讨合作学习模式与数学建模思想融入其教学过程的机理与方式,培养学生研究学习与创造学习的思维与能力。 展开更多
关键词 常微分方程 合作学习 数学建模思想 教学改革
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关于常微分方程中奇解与包络的注记 被引量:2
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作者 王广瓦 《徐州师范大学学报(自然科学版)》 CAS 2004年第4期62-63,共2页
给出了两种常微分方程教材中关于奇解与包络关系结论的反例.
关键词 奇解 常微分方程 注记 反例 包络 结论 教材
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实例教学法在常微分方程教学中的应用 被引量:1
7
作者 刘娟 《安顺学院学报》 2017年第5期113-115,共3页
为了提高学生的学习兴趣,在常微分方程的教学中加入具体实例,包括溶液稀释问题,赝品鉴定问题以及计算机的病毒传播问题。通过引入实例进行教学,能使学生深刻理解所学常微分方程理论,并提高学习常微分方程的兴趣。
关键词 常微分方程 具体实例 学习兴趣
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面向调控网络参数学习的无迹粒子滤波算法
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作者 强波 王正志 倪青山 《计算机工程与应用》 CSCD 北大核心 2011年第9期146-148,166,共4页
目前基于微分方程模型学习网络参数的工作普遍基于卡尔曼滤波器,对所分析系统有线性假设前提,而基因调控网络具有强非线性,因此需要更适用于非线性模型的方法。提出了一种基于无迹粒子滤波器学习基因调控网络参数的方法,由于粒子滤波方... 目前基于微分方程模型学习网络参数的工作普遍基于卡尔曼滤波器,对所分析系统有线性假设前提,而基因调控网络具有强非线性,因此需要更适用于非线性模型的方法。提出了一种基于无迹粒子滤波器学习基因调控网络参数的方法,由于粒子滤波方法不受模型线性假设的约束,因此能够对非线性系统进行更好的拟合。通过对Repressillar模型中隐变量与未知参数的估计并与无迹卡尔曼滤波器所获结果的比较,提出的算法有效减少了估计误差。并对粒子数目对结果的影响进行了分析。相较于卡尔曼滤波器,无迹粒子滤波方法对于调控网络参数学习精度更高。粒子数目太少或太多都会减弱估计精度,因此选择适当的粒子数目非常重要。 展开更多
关键词 基因调控网络 参数学习 常微分方程 非线性 无迹粒子滤波
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面向数据匮乏城市的下一个POI推荐方法 被引量:1
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作者 谭海宁 姚迪 +2 位作者 毕经平 向徐 杨啸 《高技术通讯》 CAS 2021年第12期1248-1260,共13页
位置社交网络(LBSN)用户位置数据的分布不均衡,及某些用户出于对隐私安全的考量刻意隐藏自己部分位置信息等因素加剧了兴趣点(POI)推荐难度。就此本文提出了基于元学习的时空神经常微分方程(ML-ODE)来进行有效的下一个POI推荐。该模型... 位置社交网络(LBSN)用户位置数据的分布不均衡,及某些用户出于对隐私安全的考量刻意隐藏自己部分位置信息等因素加剧了兴趣点(POI)推荐难度。就此本文提出了基于元学习的时空神经常微分方程(ML-ODE)来进行有效的下一个POI推荐。该模型主要是将元学习的思想融入到POI推荐过程中,通过不同任务训练优化初始参数,将数据丰富城市中的泛化移动模式迁移到数据匮乏城市,达到优化POI预测任务的目的。该模型将神经常微分方程用于POI推荐领域,定义连续的动态过程,可以接受任意时刻的输入数据,克服了大多数时序推荐模型静态离散化的时间间隔处理方式,更适用于POI序列推荐任务。在真实公开数据集Foursqure上的实验结果表明,ML-ODE在POI推荐方面比当前主流的POI预测方法在NDCG@N指标上提升了超过10%。 展开更多
关键词 兴趣点(POI)推荐 位置社交网络(LBSN) 元学习 神经常微分方程 推荐系统
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A New Flexible Multibody Dynamics Analysis Methodology of Deployable Structures with Scissor-Like Elements 被引量:5
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作者 Qi’an Peng Sanmin Wang +1 位作者 Changjian Zhi Bo Li 《Chinese Journal of Mechanical Engineering》 SCIE EI CAS CSCD 2019年第5期107-116,共10页
There are vast constraint equations in conventional dynamics analysis of deployable structures,which lead to differential-algebraic equations(DAEs)solved hard.To reduce the difficulty of solving and the amount of equa... There are vast constraint equations in conventional dynamics analysis of deployable structures,which lead to differential-algebraic equations(DAEs)solved hard.To reduce the difficulty of solving and the amount of equations,a new flexible multibody dynamics analysis methodology of deployable structures with scissor-like elements(SLEs)is presented.Firstly,a precise model of a flexible bar of SLE is established by the higher order shear deformable beam element based on the absolute nodal coordinate formulation(ANCF),and the master/slave freedom method is used to obtain the dynamics equations of SLEs without constraint equations.Secondly,according to features of deployable structures,the specification matrix method(SMM)is proposed to eliminate the constraint equations among SLEs in the frame of ANCF.With this method,the inner and the boundary nodal coordinates of element characteristic matrices can be separated simply and efficiently,especially on condition that there are vast nodal coordinates.So the element characteristic matrices can be added end to end circularly.Thus,the dynamic model of deployable structure reduces dimension and can be assembled without any constraint equation.Next,a new iteration procedure for the generalized-a algorithm is presented to solve the ordinary differential equations(ODEs)of deployable structure.Finally,the proposed methodology is used to analyze the flexible multi-body dynamics of a planar linear array deployable structure based on three scissor-like elements.The simulation results show that flexibility has a significant influence on the deployment motion of the deployable structure.The proposed methodology indeed reduce the difficulty of solving and the amount of equations by eliminating redundant degrees of freedom and the constraint equations in scissor-like elements and among scissor-like elements. 展开更多
关键词 Flexible MULTIBODY dynamics Scissor-like elements ABSOLUTE NODAL COORDINATE FORMULATION specification matrix method ordinary differential equations
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《常微分方程》教学中培养学生数学应用能力的研究 被引量:1
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作者 汪轶 《九江学院学报(自然科学版)》 CAS 2014年第3期67-68,共2页
常微分方程是数学理论联系实际的重要渠道。但由于其理论的抽象性又给常微分的教学和学习带来了诸多困难,从而遏制了学生数学应用的能力.为解决这一问题,结合作者本身教学实践,本文讨论了在教学过程中实现教与学互动的对策和培养学生应... 常微分方程是数学理论联系实际的重要渠道。但由于其理论的抽象性又给常微分的教学和学习带来了诸多困难,从而遏制了学生数学应用的能力.为解决这一问题,结合作者本身教学实践,本文讨论了在教学过程中实现教与学互动的对策和培养学生应用能力的几点思考. 展开更多
关键词 常微分方程 教学互动 数学应用
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寄生调节的种内捕食特征变化对集团内捕食系统的影响 被引量:1
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作者 张荣 周帅 李小珍 《大学数学》 2019年第6期7-12,共6页
寄生可以通过直接或者间接的方式对物种间相互作用产生影响,进而影响集团内捕食系统的种群动态及物种共存.建立一个新的集团内捕食系统模型,考虑了种内捕食特征调节效应的影响结果,并探讨了易感染者和已感染者两种种内捕食强度变化对物... 寄生可以通过直接或者间接的方式对物种间相互作用产生影响,进而影响集团内捕食系统的种群动态及物种共存.建立一个新的集团内捕食系统模型,考虑了种内捕食特征调节效应的影响结果,并探讨了易感染者和已感染者两种种内捕食强度变化对物种共存的调节机制.研究显示:两种不同特征调节下的种内捕食作用对物种延续和共存的影响也不尽相同,在一定范围内增大易感染种内捕食力度能够增大物种共存的区域,有利于提高物种多样性,保护濒危物种;而已感染种群种内捕食强度减弱则抑制物种共存,这一结论为解决有害生物入侵,保护本土生物提供了理论参考.综上所述,该研究在一定意义上充实了特征调节效应的影响机制. 展开更多
关键词 种内捕食 特征调节效应 生态-传染病系统 常微分方程模型
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基于课程合作式学习的《常微分方程》教学改革的探索与实践 被引量:4
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作者 赵莉莉 《大学数学》 2021年第4期17-23,共7页
合作式学习是一种强调“合作”的学习模式,整个学习小组的成员围绕一个由教学目标制定的学习任务,合理进行分工,借助教师提供的学习材料以及互联网上的资源,通力合作、相互启发、相互讨论,最终完成学习任务、达到学习目标.在常微分方程... 合作式学习是一种强调“合作”的学习模式,整个学习小组的成员围绕一个由教学目标制定的学习任务,合理进行分工,借助教师提供的学习材料以及互联网上的资源,通力合作、相互启发、相互讨论,最终完成学习任务、达到学习目标.在常微分方程课程的教学之中,引入合作式学习的教学方法能提升学生的综合素质、充分调动学习上的主观能动性、培养创新精神,不仅提高了学生的学习能力,加深了对课程知识点的记忆和理解,还能加强利用学科知识去解决实际问题的能力,促进教学改革,提升教学质量. 展开更多
关键词 常微分方程 合作式学习 教学质量
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基于ELM算法的Chebyshev神经网络在常微分方程数值解中的应用 被引量:1
14
作者 张继超 《电脑与电信》 2022年第6期58-61,共4页
提出了一种快速的、新颖的、高精度的用于求解常微分方程数值解的方法:考虑了极限学习机(ELM)算法对参数调整的简便性和适合单层网络的特点,结合Chebyshev多项式的正交特性带来的少参数而高逼近的作用。该联合算法只需要少量的神经元和... 提出了一种快速的、新颖的、高精度的用于求解常微分方程数值解的方法:考虑了极限学习机(ELM)算法对参数调整的简便性和适合单层网络的特点,结合Chebyshev多项式的正交特性带来的少参数而高逼近的作用。该联合算法只需要少量的神经元和单层的神经网络,再通过最小二乘法,解出矩阵广义逆进行参数调整便可获得具有较高精度且无穷可微的常微分方程数值解。 展开更多
关键词 常微分方程 数值解 CHEBYSHEV 神经网络 极限学习机 深层优化
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求解脉冲分数阶常微分方程的二阶数值格式
15
作者 谭晴 曹俊英 《贵州科学》 2023年第3期76-79,共4页
基于中点矩形公式和积分中值定理的思想,构造了脉冲分数阶常微分方程的二阶显式数值格式。数值算例再次验证了该数值格式的有效性。
关键词 脉冲分数阶常微分方程 脉冲volterra积分方程 局部截断误差 数值算例
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On the learning dynamics of two-layer quadratic neural networks for understanding deep learning
16
作者 Zhenghao TAN Songcan CHEN 《Frontiers of Computer Science》 SCIE EI CSCD 2022年第3期77-82,共6页
Deep learning performs as a powerful paradigm in many real-world applications;however,its mechanism remains much of a mystery.To gain insights about nonlinear hierarchical deep networks,we theoretically describe the c... Deep learning performs as a powerful paradigm in many real-world applications;however,its mechanism remains much of a mystery.To gain insights about nonlinear hierarchical deep networks,we theoretically describe the coupled nonlinear learning dynamic of the two-layer neural network with quadratic activations,extending existing results from the linear case.The quadratic activation,although rarely used in practice,shares convexity with the widely used ReLU activation,thus producing similar dynamics.In this work,we focus on the case of a canonical regression problem under the standard normal distribution and use a coupled dynamical system to mimic the gradient descent method in the sense of a continuous-time limit,then use the high order moment tensor of the normal distribution to simplify these ordinary differential equations.The simplified system yields unexpected fixed points.The existence of these non-global-optimal stable points leads to the existence of saddle points in the loss surface of the quadratic networks.Our analysis shows there are conserved quantities during the training of the quadratic networks.Such quantities might result in a failed learning process if the network is initialized improperly.Finally,We illustrate the comparison between the numerical learning curves and the theoretical one,which reveals the two alternately appearing stages of the learning process. 展开更多
关键词 learning dynamic quadratic network ordinary differential equations
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二阶常微分方程的若干求解方法 被引量:4
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作者 冯曼 《阴山学刊(自然科学版)》 2018年第2期17-19,共3页
探讨了二阶常微分方程的求解方法与解题技巧,总结了求解该类方程的几种方法,以便开拓解题思路,提高计算效率,提高学生的计算能力.
关键词 二阶常微分方程 特定指数函数法 变系数 通解
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Data mining and mathematical models in cancer prognosis and prediction
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作者 Chong Yu Jin Wang 《Medical Review》 2022年第3期285-307,共23页
Cancer is a fetal and complex disease.Individual differences of the same cancer type or the same patient at different stages of cancer development may require distinct treatments.Pathological differences are reflected... Cancer is a fetal and complex disease.Individual differences of the same cancer type or the same patient at different stages of cancer development may require distinct treatments.Pathological differences are reflected in tissues,cells and gene levels etc.The interactions between the cancer cells and nearby microenvironments can also influence the cancer progression and metastasis.It is a huge challenge to understand all of these mechanistically and quantitatively.Researchers applied pattern recognition algorithms such as machine learning or data mining to predict cancer types or classifications.With the rapidly growing and available computing powers,researchers begin to integrate huge data sets,multi-dimensional data types and information.The cells are controlled by the gene expressions determined by the promoter sequences and transcription regulators.For example,the changes in the gene expression through these underlying mechanisms can modify cell progressing in the cell-cycle.Such molecular activities can be governed by the gene regulations through the underlying gene regulatory networks,which are essential for cancer study when the information and gene regulations are clear and available.In this review,we briefly introduce several machine learning methods of cancer prediction and classification which include Artificial Neural Networks(ANNs),Decision Trees(DTs),Support Vector Machine(SVM)and naive Bayes.Then we describe a few typical models for building up gene regulatory networks such as Correlation,Regression and Bayes methods based on available data.These methods can help on cancer diagnosis such as susceptibility,recurrence,survival etc.At last,we summarize and compare the modeling methods to analyze the development and progression of cancer through gene regulatory networks.These models can provide possible physical strategies to analyze cancer progression in a systematic and quantitative way. 展开更多
关键词 FLUX gene regulatory network LANDSCAPE machine learning ordinary differential equations stochastic differential equations
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连续图卷积视频烟雾检测模型 被引量:3
19
作者 杨龙箴 袁非牛 +2 位作者 杨寿渊 雷帮军 张相芬 《中国图象图形学报》 CSCD 北大核心 2019年第10期1658-1669,共12页
目的视频烟雾检测在火灾预警中起到重要作用,目前基于视频的烟雾检测方法主要利用结构化模型提取烟雾区域的静态和动态特征,在时间和空间上对烟雾信息作同等或相似处理,忽略了视频数据在时间线上的连续性和特征的非结构化关系。图卷积网... 目的视频烟雾检测在火灾预警中起到重要作用,目前基于视频的烟雾检测方法主要利用结构化模型提取烟雾区域的静态和动态特征,在时间和空间上对烟雾信息作同等或相似处理,忽略了视频数据在时间线上的连续性和特征的非结构化关系。图卷积网络(GCN)与神经常微分方程(ODE)在非欧氏结构与连续模型处理上具有突出优势,因此将二者结合提出了一种基于视频流和连续时间域的图烟雾检测模型。方法目前主流的视频烟雾检测模型仍以离散模型为基础,以规则形式提取数据特征,利用ODE网络构建连续时间模型,捕捉视频帧间的隐藏信息,将原本固定时间跨度的视频帧作为连续时间轴上的样本点,充分利用模型的预测功能,补充帧间丢失信息并对未来帧进行一定程度的模拟预测,生成视频帧的特征并交给图卷积网络对其重新建模,最后使用全监督和弱监督两种方法对特征进行分类。结果分别在2个视频和4个图像数据集上进行训练与测试,并与最新的主流深度方法进行了比较,在KMU(Korea Maritime University)视频数据集中,相比于性能第2的模型,平均正样本正确率(ATPR值)提高了0.6%;在2个图像数据集中,相比于性能第2的模型,正确率分别提高了0.21%和0.06%,检测率分别提升了0.54%和0.28%,在视频单帧图像集上正确率高于第2名0.88%。同时也在Bilkent数据集中进行了对比实验,以验证连续隐态模型在烟雾动态和起烟点预测上的有效性,对比实验结果表明所提连续模型能够有效预测烟雾动态并推测烟雾起烟点位置。结论提出的连续图卷积模型,综合了结构化与非结构化模型的优势,能够获得烟雾动态信息,有效推测烟雾起烟点位置,使烟雾检测结果更加准确。 展开更多
关键词 视频烟雾检测 烟雾识别 图卷积网络 神经常微分方程 度量学习 弱监督学习
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数据驱动的具有周期Holling功能反应的云杉蚜虫模型的学习
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作者 沈娜 裴永珍 +2 位作者 李长国 吕云飞 梁西银 《数学的实践与认识》 2023年第7期274-277,共4页
从数据中推断微分方程模型是具有挑战性又重要的课题.本文对云杉蚜虫的实际数据进行分析,通过稀疏回归算法学习构建具有周期Holling功能反应的微分方程模型,模型能很好的与实际数据吻合并能预测云杉蚜虫的周期爆发行为.本工作对探索云... 从数据中推断微分方程模型是具有挑战性又重要的课题.本文对云杉蚜虫的实际数据进行分析,通过稀疏回归算法学习构建具有周期Holling功能反应的微分方程模型,模型能很好的与实际数据吻合并能预测云杉蚜虫的周期爆发行为.本工作对探索云杉蚜虫的动力学行为具有指导意义. 展开更多
关键词 云杉蚜虫 常微分方程 方程学习 稀疏回归
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