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基于李群嵌入的神经动力学规划:监督投影流形学习

文章摘要

本文提出李群嵌入动态神经网络(LieEDNN)及其学习算法,利用李群作为流形几何连续对称性的内在表示,在一般李群上实现可学习且稳定的动力学,并应用于SE(3)和伸缩机械臂场景。

来源arXiv Machine Learning作者: Tianwei Wang, Bryan Chen, Qian Zuo, Qiyue Xia, Xin Li, Wei Pang
基于李群嵌入的神经动力学规划:监督投影流形学习
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本文介绍的是一项新近提交的预印本研究,题为《Planning Neural Dynamics with Lie Group Embedding through Supervised Projective Manifold Learning》(通过监督投影流形学习以李群嵌入进行神经动力学规划)。该论文由Tianwei Wang及其他五位作者共同完成,于2026年5月24日提交至arXiv,编号为arXiv:2605.26167,属于机器学习(cs.LG)分类,同时涉及人工智能(cs.AI)、动力系统(math.DS)以及环与代数(math.RA)等交叉领域。论文目前为预印本,处于审稿阶段,全文约2170 KB。

研究的核心是提出一种名为“李群嵌入动态神经网络”(Lie Group Embedded Dynamical Neural Networks,简称LieEDNN)的新架构,并配套设计了基于梯度下降与光滑流形上度量投影的学习算法。作者将李群视为流形几何中连续对称性的一种内在表示方式,从而能够在底层流形上为一般李群实现可学习且稳定的动力学。借助SO(3)、SE(3)等李群强大的表示能力,该方法有望服务于机器人学、计算机图形学和控制等领域的实际工程问题。

论文明确指出两个关键挑战。第一,一般李群与加法运算并不兼容,而加法是神经网络内部进行交互所必需的运算。第二,动力学演化发生在特殊代数(special algebra)的非线性表示空间中,而非通常的欧几里得空间,这与常见神经常微分方程(neural ODE)的范式相冲突。这两点使得将李群结构直接嵌入神经网络面临理论上的障碍。

为应对上述挑战,作者首先在李代数上引入伴随李群作用(adjoint Lie group action),该作用诱导出一个线性映射,并将其转移到权重矩阵的分块结构上,使得加法可以像在向量空间上一样在李代数上运作。随后,作者将李代数与伴随作用参数化为线性变换,使整体架构与神经网络感知机对齐。具体而言,这种嵌入表现为对权重的分块流形约束,作者据此开发了相应算法,用以学习时间神经网络动力学的平衡点,并提供稳定性保证。这一处理方式既保留了李群的几何结构,又使其适配标准神经网络的计算范式。

在实验部分,研究团队在特定的李群SE(3)上进行了实现,应用场景为伸缩式机械臂(telescopic manipulators)。这表明该方法不仅在理论层面具有意义,也具备向实际机器人控制任务落地的潜力。

从更广的背景来看,这项工作连接了几何深度学习、动力系统理论与控制工程等多个方向。其价值在于尝试将连续对称性作为归纳偏置嵌入神经动力学模型,从而在保证稳定性的同时提升表示的几何一致性。需要注意的是,由于论文尚处于预印本与审稿阶段,实验结果与稳定性保证的普适性仍有待同行评议与更多复现工作的检验。

展开要点与分析

文章情报

工程师进阶

要点

  • 提出LieEDNN,通过伴随李群作用和李代数线性化解决李群与加法不兼容的问题
  • 设计基于梯度下降和度量投影的学习算法,保证时间神经网络动力学的稳定性
  • 在SE(3)李群上实验,验证了伸缩机械臂应用中的有效性

要点与分析由自动化流程生成,可能有误,请结合原始来源核实。