莱顿大学数学

作者 | 姜蔚蔚

编辑 | 唐里

这篇论文试图通过深度神经网络来解决天体力学中著名的三体问题。

早在牛顿的时代,三体问题就已经被提出,即三个可视为质点的天体在相互之间万有引力作用下的运动规律问题,至今无法被精确求解。与之相对的,描述两个天体相互运动的二体问题可以通过牛顿力学完美解决。三体问题在国内的知名度部分来自于科幻小说家刘慈欣的小说《三体》,其中就描述了一个生活在三体星系的地外文明,忍受着三颗恒星复杂多变的运行轨迹带来的变化多端的天气,由此产生了星际移民并试图占领地球的故事。

从数学上说,每一个天体在另外两个天体的万有引力作用下的运动方程可以表示为3个二阶的常微分方程或6个一阶的常微分方程[1]。在三体问题中,对应了求解18阶方程。然而,物理定律只给了我们10个等式,包含3个质心方程、3个动量守恒方程、3个角动量守恒方程和1个能量守恒方程。因此从数学上完美求解三体问题是不可能的。

既然如此,数学家们搁置了一般情况下的三体问题求解,转而寻找特定条件下的解,例如法国数学家庞加莱就提出了限制性三体问题,即两体的质量极大,第三体不能对它们造成扰动的情况。在研究这个问题的过程中,庞加莱提出了混沌理论,并且发现了三体问题中的“蝴蝶效应”:如果初始状态有一个小的扰动,那么后来的状态会有极大的不同。

与数学家们不同,计算机科学家采取了另一种思路,即通过近似和数值技术来计算分析三体之间的关系。到了2015年,研究人员提出了一个名为Brutus的积分器,基于Bulirsch-Stoer算法可以求解N体问题的任意给定精度的近似收敛解。然而这种方法对内存的要求随着精度的增高和模拟时间的增长而呈指数级增长。

论文标题:Newton vs the machine:solving the chaotic three-body problem using deep neural networks

下载链接:https://arxiv.org/abs/1910.07291

在这篇论文中,来自爱丁堡大学、剑桥大学、阿威罗大学、莱顿大学的研究人员试图通过深度神经网络来解决三体的计算问题。神经网络模型取得了跟Brutus非常接近的计算结果,但是速度却快了一亿倍。如此令人震惊的速度提升效果引发了数学家和计算机学家对于这篇论文的关注和大量讨论。

模型和实验

作者首先简化了三体问题,限制为三个质量相等、初始速度为零的粒子在一个平面上的引力问题。如图1所示:

图1. 三个粒子的初始位置。

粒子1的初始位置x1=(1,0)代表了距离原点的单位距离,粒子2的初始位置x2在图1中的绿色区域中随机产生,而由于对称性,粒子3的初始位置x3=-x1-x2。图1中的红点代表粒子2和粒子3重合的特殊情况,此时x2=x3=(-0.5, 0)。

然后作者们利用Brutus模拟求解了10000次它们的三体运动,完成这些模拟花费了10天的时间。接下来对神经网络模型而言,作者们使用其中的9900次模拟作为训练集,100次模拟作为训练集。这篇论文中使用的深度神经网络模型是一个包含10个隐藏层、128个节点前馈神经网络,如图2所示:

图2. 牛顿肖像画和神经网络模型。

训练过程采用了Adam优化器,每个epoch分为5000个batch,激活函数使用了ReLU。训练过程中平均绝对误差随epoch变化的情况如图3所示,

图3. 平均绝对误差vs epoch。

其中实线代表训练集,虚线代表验证集,3.9、7.8和10分别代表了使用的数据量的大小,特别的,10代表使用了全部10天生成的数据,即全部数据集。

图4. 神经网络和Brutus结果的对比。

在图4中,作者给出了训练好的模型与Brutus计算结果的对比,左半边为训练集上的对比,右半边为验证集上的对比。三种颜色的曲线代表三个例子的运动轨迹,而由于结果太接近,实线代表的神经网络的轨迹和虚线代表的Brutus的轨迹几乎无法分辨,代表经过训练的神经网络令人满意地再现了粒子之间的相互作用。而神经网络的计算时间(大约是10的负三次方秒)比Brutus快了十万倍(有时候甚至是一亿倍)。

进一步,作者们也对比了神经网络模型对于初始位置扰动的敏感性。通过在x2的初始位置上加入一个很小的扰动,神经网络模型依旧取得了跟Brutus相近的结果,如图5所示。

图5. 初始位置的敏感依赖。

最后,作者们也尝试利用神经网络来预测粒子的速度信息,但是神经网络在求解问题的时候似乎没有遵循能量守恒定律,作者们在人为加入一个能量投影层之后,才使得预测误差从10-2降低到了10-5,如图6所示。

图6. 相对能量误差。

结 论

这篇论文成功验证了神经网络在混沌系统仿真中的应用,能够以更快的速度完成传统的方法(例如Brutus)的仿真工作,从而展示了在解决类似的复杂性问题上的应用潜力。

这篇论文的不足也是很明显的。很多人认为这篇论文只是一种概念上的验证,因为论文中的神经网络模型只能解决二维平面内并且初速度为0的三体问题。深度学习近年来的火爆使得它的应用早于超出了传统的计算机领域。在物理领域,曾经就有研究将神经网络应用于模拟中子星碰撞[3]。然而这种广泛的应用也引起了研究人员的担忧和质疑,例如Nature上一篇利用深度学习预测地震余震[4]的论文就被质疑为深度学习方法的“滥用”。目前来看深度神经网络还无法完全替代Brutus这样的工具。正如作者所说的,未来他们会考虑构建一个混合系统,当计算负担过重时引入神经网络,直到可以继续使用Brutus方法计算,从而能够更快地模拟星体之间的运动。

参考:

[1] 浅谈三体问题, 甘庆雨, 2014. http://hpc.seu.edu.cn/dong/class/2014-Ganqingyu.pdf

[2] Boekholt T, Zwart S P. On the reliability of N-bodysimulations[J]. Computational Astrophysics and Cosmology, 2015, 2(1): 2.

[3] Adamczewski-Musch J, Arnold O, Behnke C, et al. Probing densebaryon-rich matter with virtual photons[J]. Nature Physics, 2019, 15:1040-1045.

[4] DeVries P M R, Viégas F, Wattenberg M, et al. Deep learning ofaftershock patterns following large earthquakes[J]. Nature, 2018, 560(7720):632.

声明:壹贝网所有作品(图文、音视频)均由用户自行上传分享,仅供网友学习交流,版权归原作者wangteng@admin所有,原文出处。若您的权利被侵害,请联系 756005163@qq.com 删除。

本文链接:https://www.ebaa.cn/29959.html

(0)
上一篇 2024年8月8日
下一篇 2024年8月8日

相关推荐

  • 英国留学签证(英国留学签证费用2023多少)

    其实,当你已经拿到了offer准备前往英国留学时,办理留学签证是必不可少的。那么在中国境内该如何申请签证呢? 这次,一定要收藏这篇保姆级英国学生签证攻略! ▍需要准备的签证材料 1.CAS打印件 拿到uncon offer并缴纳留位费后,学校统一发放的文件,通过邮件通知,你可以把它当做一个录取确认函,确认无误后直接打印出来递交。CAS有效期一般在6个月,签证…

    2023年11月24日
  • 加拿大西安大略大学真实排名

    今天这内容着实有点“扎心”,但正值大学申请的时节,就算“扎心”小编也得给小伙伴们介绍一下! 在申请国外大学的时候,大家要考量的问题有很多,比如学校排名啊、专业排名等等,在这其中最主要的是毕业的问题。 小伙伴们或多或少也听说过国外的大学都是“宽进严出”,申请很容易,要求相对宽松,但一进去大学的那刻起,才是真正的紧张时刻,熬夜写论文、泡图书馆、实习样样都要亲力亲…

    2024年12月8日
  • 中国最大留学中介

    在上海,留学机构众多,每家都咨询并不现实。因此,我采取了一种有序的方法来选择合适的留学机构。首先,在知乎、公众号、小红书、大众点评等平台上浏览了一些评价。对于评价较差的机构,我并没有深入了解,而是将注意力放在评价较好的机构上。最终,我选定了三家热度较高的留学机构,分别是优越留学、新东方前途留学和威久留学。这三家机构都受到了广泛关注。接下来,我将分享一下我对这…

    2024年1月27日
  • 威尔士职业学院

    新赛季欧洲赛场最强的球队是哪支?这个问题要到明年五月才会有答案,但另一个问题的答案已经提前揭晓,那就是新赛季欧洲赛场最聪明的球队是哪支——上赛季威尔士超级联赛第七名卡迪夫都会大学队。 队如其名,卡迪夫都会大学队是一支不折不扣的大学球队,前身为加迪夫教育学院队,之后随着学校的不断升级与合并而不断改名,2000年加迪夫国际学院与加迪夫都会大学这两所高等院校合并,…

    2025年2月20日
  • 泰国调整入境政策(泰国调整入境政策最新消息)

    当地时间1月5日下午,泰国卫生部、旅游与体育部、交通部和外交部举行联合会议,商讨并确定关于接待可能于近期大幅增加的国际游客的具体措施。 主持会议的泰国副总理兼卫生部长阿努廷会后宣布,新调整的入境政策将对来自所有国家和地区的入境人员一视同仁,具体规定是:须持完整接种新冠疫苗证明;须购买包含新冠治疗的医疗保险;游客回国前将接受新冠核酸检测。此外,泰国政府将成立联…

    2023年10月26日
  • 杜伊斯堡埃森大学排名_杜伊斯堡埃森大学排名qs和泰晤士差很多

    德国院校在四大排名中的表现 这几年,德国留学越来越受到大家的认可和关注。越来越多的小伙伴在选择德国学校的时候都会用排名来衡量心仪的大学。同学们多数参考的是哪些世界排名呢?一般就是 QS、US.News、ARWU、THE 这四个目前世界上“最为权威”的排名。 这四个排名不分先后,每个排名的侧重点不同,如果一定要说哪份比较权威,就目前来看,QS的知名度会相对高一…

    2024年4月15日
  • 教学设施设备有哪些

    教育培训市场的老师,和传统公立校的老师相比较,更迭的速度是更快的。一方面,学生大量涌入教培训机构,为行业注入了诸多活力;但另一方面,让校长们头疼的教师备课压力大、教学质量难保证、教师培养难以标准化等运营,也随之而来。 好老师,会在学生的学习过程中起到关键作用。很多时候,校区花了大量的精力来培训老师、给教师赋能,但不久以后,这个老师就离职了。如何留住好老师,成…

    2024年4月17日
  • 德国科隆体育大学邮编

    上海体育学院 2018年艺术类专业招生 上海体育学院2018年艺术类专业报名即将启动!(网上报名时间:2018年1月18日10:00-2月18日24:00) 播音与主持专业首次招收电竞解说方向哦! 学校介绍 上海体育学院创建以来,始终以人才培养和知识创新为己任,努力承载“发展体育运动、增强人民体质、弘扬体育文化”的光荣使命,是我国培养高层次体育人才的摇篮。学…

    2024年10月25日
  • 巴塞罗那大学怎么申请

    西班牙巴塞罗那大学成立于1450年,是西班牙最古老、最知名的大学之一。学校位于巴塞罗那市中心,占地面积超过1.4平方公里,目前拥有4个校区和18个学院。 巴塞罗那大学拥有广泛的学科范围,包括法律、经济、人文学科、社会科学、医学、数学、自然科学等领域。该校在全球排名中常年位居前列,QS世界大学排名中,巴塞罗那大学2023年排名第184位。 巴塞罗那大学以其高质…

    2024年11月15日
  • 格拉斯哥学院在云南招生吗

     格拉斯哥大学以其高质量、灵活性和注重每一个学生的不同需求而著名,在格拉斯哥大学,你可以学到你最想学的东西,合理的安排时间、高度的自控能力等等不一而足。英国一直以来对教育方面都非常重视,学校普遍教学质量高,格拉斯哥大学更是在接近600年的光阴中积累了相当浓厚的学术氛围而英国学位回国后的认同率也非常可观。除此之外,在英语国家你能学到的英语应用能力是其他任何国家…

    2024年11月25日

联系我们

400-800-8888

在线咨询: QQ交谈

邮件:admin@example.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息

关注微信