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制御/ロボティクスarXiv:2605.26167

リー群埋め込みによるニューラルダイナミクスの計画:教師付き射影多様体学習を通じて

Planning Neural Dynamics with Lie Group Embedding through Supervised Projective Manifold Learning

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リー群を多様体の対称性の内在表現として用い、勾配降下と計量射影に基づく学習アルゴリズムを開発し、一般のリー群上で学習可能かつ安定なダイナミクスを実現する。

詳しい要約

1. どんなもの?

- 提案手法はLie群埋め込み動的ニューラルネットワーク(LieEDNN)とその学習アルゴリズム。 - Lie群を多様体幾何の連続対称性の内在的表現として扱い、学習可能で安定なダイナミクスを実現。 - SO(3)やSE(3)などのLie群の表現能力を活用し、ロボティクス、グラフィックス、制御などの実世界問題を解決。 - 2つの課題:(i)一般のLie群は加法と非互換、(ii)ダイナミクスが非線形表現空間で進化し、通常のNeural ODEのパラダイムに反する。 - 随伴Lie群作用をLie代数上に導入し、線形写像を誘導、重み行列のブロック構造に転送。 - Lie代数と随伴作用を線形変換としてパラメータ化し、ニューラルネットワークパーセプトロンと整合。 - 重みにブロックワイズ多様体制約を課し、時間的ニューラルネットワークダイナミクスの安定性保証付き平衡学習アルゴリズムを開発。 - 実験はSE(3)上で伸縮マニピュレータに適用。

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

- 従来のNeural ODEはユークリッド空間を前提とし、Lie群のような非線形多様体上のダイナミクスを直接扱えない。 - 提案手法はLie群の内在的表現を利用し、加法非互換性を随伴作用とブロック構造で克服。 - 一般のLie群に対して学習可能で安定なダイナミクスを実現し、SO(3)やSE(3)などの実世界応用に展開可能。 - 安定性保証付きの学習アルゴリズムを提供し、従来のNeural ODEの制約を超える。

3. 技術・手法の肝は?

- Lie群を多様体幾何の連続対称性の内在的表現として扱う。 - 随伴Lie群作用をLie代数上に導入し、線形写像を誘導。 - 重み行列をブロックワイズ構造に転送し、Lie代数をベクトル空間として加法を可能に。 - Lie代数と随伴作用を線形変換としてパラメータ化し、ニューラルネットワークパーセプトロンと整合。 - 重みにブロックワイズ多様体制約を課す。 - 勾配降下と滑らかな多様体上の距離射影に基づく学習アルゴリズムを開発。 - 時間的ニューラルネットワークダイナミクスの安定性保証付き平衡を学習。

4. どうやって有効だと検証した?

- 具体的なLie群SE(3)上で実験を実施。 - 応用シナリオとして伸縮マニピュレータ(telescopic manipulators)を用いて検証。 - 有効性の詳細な評価指標や比較対象は要旨からは不明。

5. 議論はある?

- 一般のLie群に対する学習可能で安定なダイナミクスの実現を主張。 - 安定性保証付きの学習アルゴリズムを開発。 - 限界や議論の詳細は要旨からは不明。

6. 次に読むべき論文は?

- 要旨で参照/比較されている研究は明示されていない。 - 関連手法としてNeural ODE、Lie群理論、SO(3)やSE(3)を用いたロボティクス・グラフィックス・制御の研究が挙げられる。 - 同分野の定番としてNeural ODE、Lie群に基づく深層学習、多様体学習の論文を読むことを推奨。

※ AIが要旨から生成した要約です。正確性は原文をご確認ください。

著者: Tianwei Wang, Bryan Chen, Qian Zuo, Qiyue Xia, Xin Li, Wei Pang

分類: cs.LG, cs.AI, math.DS, math.RA

原文アブストラクト

We propose Lie group embedded dynamical neural networks (LieEDNN) and the corresponding learning algorithms based on gradient descent and metric projection on smooth manifold, where we treat Lie group as an intrinsic representation for continuous symmetry of manifold geometry. Thereby we achieve learnable and stable dynamics on the underlying manifold for general Lie group, and we are able to utilize the powerful representation capability of Lie group such as SO(3) and SE(3) to solve real world engineering problems in areas such as robotics, graphics, and control. Two core challenges are: (i) General Lie groups are incompatible with addition arithmetic, which is necessary for neural network interactions. (ii) The dynamics evolve in the nonlinear representation space of special algebra rather than the normal Euclidean space, which violates the paradigm of common neural ODEs. To address these two challenges, we firstly introduce adjoint Lie group action on the Lie algebra, which induces a linear mapping and transfer to the block-wise structure of weight matrices, such that addition could operate on the Lie algebra as a vector space. Then we parameterize the Lie algebra and the adjoint action as linear transformation so that the architecture is aligned with neural network perceptrons. Explicitly, this embedding appears as block-wise manifold constraints on weights, and we develop algorithms to learn the equilibrium with stability guarantees of the temporal neural network dynamics. Experiments are implemented on a specific Lie group SE(3), with the application scenario of telescopic manipulators.

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