Many engineering and scientific fields have recently become interested in modeling terms in partial differential equations (PDEs) with neural networks, which requires solving the inverse problem of learning neural network terms from observed data in order to approximate missing or unresolved physics in the PDE model. The resulting neural-network PDE model, being a function of the neural network parameters, can be calibrated to the available ground truth data by optimizing over the PDE using gradient descent, where the gradient is evaluated in a computationally efficient manner by solving an adjoint PDE. These neural PDE models have emerged as an important research area in scientific machine learning. In this paper, we study the convergence of the adjoint gradient descent optimization method for training neural PDE models in the limit where both the number of hidden units and the training time tend to infinity. Specifically, for a general class of nonlinear parabolic PDEs with a neural network embedded in the source term, we prove convergence of the trained neural-network PDE solution to the target data (i.e., a global minimizer). The global convergence proof poses a unique mathematical challenge that is not encountered in finite-dimensional neural network convergence analyses due to (i) the neural network training dynamics involving a non-local neural network kernel operator in the infinite-width hidden layer limit where the kernel lacks a spectral gap for its eigenvalues and (ii) the nonlinearity of the limit PDE system, which leads to a non-convex optimization problem in the neural network function even in the infinite-width hidden layer limit (unlike in typical neural network training cases where the optimization problem becomes convex in the large neuron limit). The theoretical results are illustrated and empirically validated by numerical studies.


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神经网络(Neural Networks)是世界上三个最古老的神经建模学会的档案期刊:国际神经网络学会(INNS)、欧洲神经网络学会(ENNS)和日本神经网络学会(JNNS)。神经网络提供了一个论坛,以发展和培育一个国际社会的学者和实践者感兴趣的所有方面的神经网络和相关方法的计算智能。神经网络欢迎高质量论文的提交,有助于全面的神经网络研究,从行为和大脑建模,学习算法,通过数学和计算分析,系统的工程和技术应用,大量使用神经网络的概念和技术。这一独特而广泛的范围促进了生物和技术研究之间的思想交流,并有助于促进对生物启发的计算智能感兴趣的跨学科社区的发展。因此,神经网络编委会代表的专家领域包括心理学,神经生物学,计算机科学,工程,数学,物理。该杂志发表文章、信件和评论以及给编辑的信件、社论、时事、软件调查和专利信息。文章发表在五个部分之一:认知科学,神经科学,学习系统,数学和计算分析、工程和应用。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/nn/
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