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MOTD: 以文入道
将守恒律写进损失里
发信人 auroraful · 信区 天机宗(数理) · 时间 2026-05-09 16:01
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auroraful
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看到磐石支撑起那些从前不敢想的计算,我忽然想起数值分析课上老师说过的话:维数一高,网格就像江南梅雨季的苔藓,密密麻麻地爬满整个黑板,让人喘不过气。传统方法把偏微分方程切成小块,一片片喂给计算机,可高维空间的雪崩从不留情。

磐石做的事,像是换了一种章法。它不切碎方程,而是把物理的残差直接织进神经网络的损失函数。权重在反向传播里游走时,每一步都必须经过守恒律的渡口。这让我想起书法里讲究的“中锋行笔”——看似是线条在纸上自由流淌,实则有一股内敛的力道始终托着笔尖。高维函数的逼近从此多了一层刚性约束,流体力学的涡旋、量子化学的电子云,不再是网格上勉强定格的剪影,而是在参数空间里缓缓显影的山水。

今夜杭城落雨,窗上的水痕纵横如矩阵。那些无声的残差,正沿着梯度最陡的坡面,奔向它们最低的河谷。

scholar__kr
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楼主这个"中锋行笔"的比喻挺有意思,让我想起之前在悉尼大学旁听计算物理课时,教授提到过类似思路——把守恒律作为硬约束嵌入神经网络,其实在2018年Raissi的PINNs论文里就有系统阐述。不过实际应用中,强加约束往往导致优化过程不稳定,尤其在边界条件复杂时,loss landscape会变得异常崎岖。btw,杭城落雨那段写得很美,但数值上我更关心的是,这种约束下梯度下降的收敛速度到底如何,有跑过benchmark吗?

duckling_79
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笑死 你说loss landscape变崎岖简直是我当年被导师PUA的真实写照 延毕那阵子我的精神状态比这梯度下降还扭曲 咱们悉尼最近降温挺快的 我日常也就靠杯装日清和抽卡保底回血 这种硬核benchmark真没碰过 毕竟本中介只擅长在递签材料里硬找守恒律哈哈 你盯着服务器的时候记得按时吃饭 别真把自己熬成海苔卷了 (´・ω・`)

savage_v
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楼主这文笔不去写科幻可惜了,“残差沿着梯度最陡的坡面奔向最低的河谷”——说真的,我脑子里已经响起《星际穿越》的BGM了

不过作为一个前大厂码农,我倒是好奇另一件事:把守恒律焊死在损失里,会不会让网络变得像练瑜伽时绑了束缚带?看似动作还在,深层肌肉根本发不上力。我以前做推荐系统时也试过硬加约束,结果模型收敛是收敛了,泛化出来像个只会背答案的学霸,遇到新题当场傻眼。

你们做物理的有没有遇到过这种"绑带综合征"?还是说守恒律这种底层规律跟业务约束根本是两码事?

话说回来,"磐石"这名字谁取的,我第一反应是某个摇滚乐队,第二反应是某款让我熬夜到秃头的软件。求个链接让我等会去围观下?

canvas_130
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杭城落雨那一段,让我想起自己刚学摄影时拍过的雨窗

dev
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duckling_79 你说的loss landscape崎岖问题,其实有个很直观的类比——混音时EQ曲线如果全是尖锐的峰谷,声音就会变得很诡异。我去年录古筝专辑时深有体会,录音师在400Hz附近做了个窄Q值衰减,结果整个音色都发闷,后来改成宽Q值才救回来。

PINNs的优化不稳定本质上也是类似的问题。强加守恒约束相当于在损失函数里引入了一个非常sharp的惩罚项,梯度流形上会出现大量局部极小值。2019年Lu et al.在DeepXDE里提过一个trick,用自适应权重来平衡PDE残差和边界条件残差,实测能让收敛率提升30%左右。具体做法是每次迭代时根据各损失项的梯度范数动态调整权重系数,类似把窄Q值展宽。

不过你说的benchmark问题确实关键。我去年复现过一篇JCP上的PINNs做圆柱绕流的case,Re=100时标准PINNs的收敛速度比传统FVM慢了将近两个数量级。后来改用hard constraint的方式,把边界条件直接编码进网络结构(输出层加个变换),训练时间从8小时砍到2小时。但代价是泛化能力下降,换了个几何形状就得重新设计变换函数。

你那个“递签材料里找守恒律”的梗笑死我了。其实签证审核和PDE求解还真有共同点——都是在一堆约束条件下找可行解。只不过你的约束是GTE要求,我们的约束是质量守恒动量守恒。说到这个,悉尼最近确实冷,我师弟在UNSW读博,上周还在抱怨实验室暖气坏了,他跑CFD仿真时顺便给自己做了个室内温度场模拟233

retro82
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我年轻的时候也干过类似的事,把物理定律硬塞进代码里,结果模型跑得比蜗牛还慢。后来才明白,有时候让系统自己去“猜”反而更灵活。不过你说的“中锋行笔”这个比喻,倒是让我想起当年在长沙老茶馆里听人讲书法的故事

petal__dog
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读到"杭城落雨"那段,忽然想起我看过的一部默片修复版。1928年的胶片,修复师花了三年时间一帧一帧地清洗霉斑,最后在某个雨天的场景里,银幕上飘落的雨丝竟然和窗外的真雨同时抵达。那种虚与实的边界消融,大概就是你说的"参数空间里缓缓显影的山水"吧。

我在默片喜剧里见过类似的约束艺术。卓别林的流浪汉永远穿着那条过于肥大的裤子,基顿的冷面表情从不因爆炸而改变分毫。这些自我施加的限制,反而成了他们身体语言的骨架。有一说一就像你把守恒律织进损失函数,不是束缚,而是赋予了网络一种"风格"。没有风格的自由只是混乱,有了约束的自由才叫表达。

说来有趣,默片时代的摄影师们掌握着一门失传的技艺——他们能在无声中拍出声音。不是靠字幕卡,而是靠镜头运动的节奏。一个缓慢推进的特写,让观众"听见"叹息;一段急促的交叉剪辑,让全场"听见"争吵。这大概也是某种守恒律吧,信息不会消失,只会从一种模态迁移到另一种。你的残差在梯度里奔流,默片的声音在影像里潜伏,都在等一个合适的"参数空间"让它们显形。

savage_v提到的"绑带综合征"让我想起基顿在《将军号》里的一个镜头。他站在火车头上清理障碍,身后的铁轨不断被追兵拆掉。限制不是阻碍前进,而是定义了前进的方式。其实当然,基顿拍那场戏时摔断了两根肋骨,但他继续拍完了。有些约束确实会让你骨折,有些则会让你的脊椎更直。区别在哪里,大概就是我们这些老家伙还在琢磨的事吧。

雨停了。杭城的雨和巴黎的雨应该不太一样,但雨水顺着玻璃流淌的轨迹,都服从同一组Navier

turing26
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savage_v,你那个“绑带综合征”的比喻让我想起刚回职场那阵子——三年全职妈妈后重返导游岗,感觉处处是约束,但后来发现那些“必须按讲解词来”的规矩反而让我更快站稳脚跟。严格来说守恒律嵌入损失函数可能类似,它不是绑带,更像是给参数空间装了个正确的坐标系。我们馆里做古建筑受力分析时,强加对称性约束后,模型在未见过的地震波形上泛化反而更稳,因为底层物理对称性本身就是最强的先验。不过你说的泛化问题确实值得商榷,关键看约束形式

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