Transfer learning (TL) is becoming a powerful tool in scientific applications of neural networks (NNs), such as weather/climate prediction and turbulence modeling. TL enables out-of-distribution generalization (e.g., extrapolation in parameters) and effective blending of disparate training sets (e.g., simulations and observations). In TL, selected layers of a NN, already trained for a base system, are re-trained using a small dataset from a target system. For effective TL, we need to know 1) what are the best layers to re-train? and 2) what physics are learned during TL? Here, we present novel analyses and a new framework to address (1)-(2) for a broad range of multi-scale, nonlinear systems. Our approach combines spectral analyses of the systems' data with spectral analyses of convolutional NN's activations and kernels, explaining the inner-workings of TL in terms of the system's nonlinear physics. Using subgrid-scale modeling of several setups of 2D turbulence as test cases, we show that the learned kernels are combinations of low-, band-, and high-pass filters, and that TL learns new filters whose nature is consistent with the spectral differences of base and target systems. We also find the shallowest layers are the best to re-train in these cases, which is against the common wisdom guiding TL in machine learning literature. Our framework identifies the best layer(s) to re-train beforehand, based on physics and NN theory. Together, these analyses explain the physics learned in TL and provide a framework to guide TL for wide-ranging applications in science and engineering, such as climate change modeling.
翻译:传输学习( TL) 正在成为神经网络科学应用( NNS) 的强大工具, 如天气/ 气候预测和动荡模型等 。 TL 能够让分布范围外的概括化( 参数外推) 和有效地混合不同培训组( 如模拟和观察 ) 。 在 TL, 已经受过基础系统训练的 NN 选定层次使用目标系统的小数据集进行再培训。 有效的 TL, 我们需要知道 1 是什么是再培训的最佳层次? 和 2 物理在 TL 期间学到什么? 在这里, 我们提出理论应用和新框架来解决(1) (2) 广泛的多尺度、非线性系统。 我们的方法将系统数据的光谱分析与对Convil NN 启动和内核的光谱分析结合起来, 解释TL 在系统非线性物理中找到的内值值值的内值变化。 以亚缩缩缩图为基础, 在测试案例中, 我们提出了新的理论应用和新的框架, 将我们所学的基质分析与系统中不断的光谱分析结合起来 。 。 我们的L 正在不断 学习的 学习 学习 。 在 和 的 BRA 中, 这些 的 的 的 的 的 的 以 以 以 以 新的 以 以 新的 新的 以 新的 新的 以 方向 新的 新的 以 在 以 在 新的 新的 新的 重新 解 解 解 。