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기술

라그랑지안 신경망

라그랑지안 신경망기술
약칭
LNN
입력 변수
일반화 좌표와 속도
학습 함수
라그랑지안 L
운동 계산
오일러·라그랑주 방정식
라그랑지안 신경망은 일반화 좌표와 속도에서 라그랑지안을 학습하고 오일러·라그랑주 방정식으로 운동을 계산하는 모형이다. 가속도를 직접 예측하는 대신 스칼라 함수의 미분 구조를 활용한다.

함수와 운동 방정식

라그랑지안 Lθ(q, v)를 신경망으로 표현한다. 외력이 없는 기본 구성에서 d/dt(∂L/∂v)−∂L/∂q=0을 이용해 가속도를 계산한다. 정준 운동량을 입력으로 먼저 알아야 하는 해밀토니안 표현과 구분된다.

독립적인 진동계 예제

L=v²−4q²이면 ∂L/∂v=2v이고 ∂L/∂q=−8q다. 따라서 2q″+8q=0이므로 가속도는 −4q다. q=0.5에서 가속도는 −2다. 이는 미분 구조의 예시이며 신경망 학습을 거친 결과는 아니다.

에너지와 라그랑지안

시간에 명시적으로 의존하지 않는 경우 대응하는 에너지는 E=v·∂L/∂v−L로 표현한다. 위 예에서는 E=v²+4q²다. 따라서 L 자체를 언제나 총에너지라고 부르면 안 된다. 보존 성질과 실제 데이터에 맞는 함수를 학습했는지도 별개다.

계산 조건

가속도 계산에는 속도에 대한 이차 미분 구조가 중요하다. 그 행렬이 특이하거나 조건이 나쁘면 안정적인 계산이 어려울 수 있다. 좌표의 제약과 외력, 수치 적분 오차를 확인하고 예측 궤적 및 보존량을 함께 검증한다.

관련 문서

해밀토니안 신경망 / 신경 상미분방정식 / 라그랑주 역학 / 오일러 라그랑주 방정식 / 자동 미분 / 에너지 보존 법칙