Differentiable modeling to unify machine learning and physical models and advance Geosciences
Notice bibliographique
Résumé
Process-Based Modeling (PBM) and Machine Learning (ML) are often perceived as distinct paradigms in the geosciences. Here we present differentiable geoscientific modeling as a powerful pathway toward dissolving the perceived barrier between them and ushering in a paradigm shift. For decades, PBM offered benefits in interpretability and physical consistency but struggled to efficiently leverage large datasets. ML methods, especially deep networks, presented strong predictive skills yet lacked the ability to answer specific scientific questions. While various methods have been proposed for ML-physics integration, an important underlying theme — differentiable modeling — is not sufficiently recognized. Here we outline the concepts, applicability, and significance of differentiable geoscientific modeling (DG). “Differentiable” refers to accurately and efficiently calculating gradients with respect to model variables, critically enabling the learning of high-dimensional unknown relationships. DG refers to a range of methods connecting varying amounts of prior knowledge to neural networks and training them together, capturing a different scope than physics-guided machine learning and emphasizing first principles. In this talk we provide examples of DG in global hydrology, ecosystem modeling, water quality simulations, etc. Preliminary evidence suggests DG offers better interpretability and causality than ML, improved generalizability and extrapolation capability, and strong potential for knowledge discovery, while approaching the performance of purely data-driven ML. DG models require less training data while scaling favorably in performance and efficiency with increasing amounts of data. With DG, geoscientists may be better able to frame and investigate questions, test hypotheses, and discover unrecognized linkages.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,002 | 0,005 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,002 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,002 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,003 |
| Communication savante | 0,003 | 0,005 |
| Science ouverte | 0,002 | 0,003 |
| Intégrité de la recherche | 0,002 | 0,005 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,005 | 0,002 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».