×

用于参数最优控制问题初步分析的扩展物理信息神经网络。 (英语) Zbl 07703997号

总结:在这项工作中,我们提出了一种基于物理的监督学习策略在参数偏微分方程中的应用。事实上,即使后者在许多研究领域毫无疑问是有用的,但在实时和多查询设置中,它们的计算成本可能最为昂贵。因此,我们的主要目标是提供一种基于物理的学习范式,以便在很短的时间内模拟参数化现象。物理信息将在损失函数(标准物理信息神经网络)中以多种方式进行利用,作为增强输入(额外特征使用),并作为构建神经网络有效结构(物理信息架构)的指南。这三个方面结合在一起,将导致更快的训练阶段和更准确的参数预测。该方法已在多个方程和最优控制框架中进行了测试。

MSC公司:

68T07型 人工神经网络与深度学习
49K20型 偏微分方程问题的最优性条件
35季度30 Navier-Stokes方程
65N30型 含偏微分方程边值问题的有限元、Rayleigh-Ritz和Galerkin方法
76D05型 不可压缩粘性流体的Navier-Stokes方程
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用

参考文献:

[1] 阿坦加纳,A。;Köláman,A.,用同伦分解法求解二维和三维泊松方程和双调和方程边值问题的解析解,文摘。申请。分析。,2013年,第380484条pp.(2013年9月)·Zbl 1291.35026号
[2] 巴拉林,F。;法吉亚诺,E。;Manzoni,A。;Quarteroni,A。;Rozza,G。;伊波利托,S。;Antona,C。;Scrofai,R.,患者特定冠状动脉旁路移植术血流动力学场景的数值模拟,Biomech。模型。机械双醇。,16, 4, 1373-1399 (2017)
[3] Baydin,A.G。;Pearlmutter,文学学士。;Radul,A.A。;Siskind,J.M.,《机器学习中的自动差异化:一项调查》,J.Mach。学习。第18号决议(2018年)·Zbl 06982909号
[4] Bochev,P.B。;Gunzburger,M.D.,Least-Squares有限元方法,第166卷(2009),Springer-Verlag:Springer-Verlag纽约·Zbl 1168.65067号
[5] 蔡,S。;王,Z。;王,S。;佩尔迪卡里斯,P。;Karniadakis,G.E.,《传热问题的物理信息神经网络》,J.heat Transf。,143,6,第060801条pp.(2021)
[6] de los Reyes,J.C。;Tröltzsch,F.,具有混合控制状态约束的稳态Navier-Stokes方程的最优控制,SIAM J.控制优化。,46, 2, 604-629 (2007) ·Zbl 1356.49034号
[7] Dede,L.,《Navier-Stokes方程的最优流量控制:阻力最小化》,《国际数值杂志》。《液体方法》,55,4,347-366(2007)·兹比尔1388.76074
[8] 丁·C·H。;Dubchak,I.,使用支持向量机和神经网络的多类蛋白质折叠识别,生物信息学,17,4,349-358(2001)
[9] Goswami,S。;博拉,A。;Yu,Y。;Karniadakis,G.E.,Physics-informed neural operators(2022),arXiv预印本
[10] Gunzburger,M.D.,《流量控制和优化的观点》,第5卷(2003),SIAM:SIAM Philadelphia·Zbl 1088.93001号
[11] 郭,M。;Manzoni,A。;Amendt,M。;康蒂,P。;Hesthaven,J.S.,使用人工神经网络的多精度回归:参数相关输出量的有效近似,计算。方法应用。机械。工程,389,第114378条pp.(2022)·Zbl 1507.65184号
[12] 赫塞文,J.S。;Rozza,G。;Stamm,B.,参数化偏微分方程的认证简化基方法,SpringerBrief in Mathematics(2015),Springer:Springer Milano
[13] Hinze,M。;皮诺,R。;Ulbrich,M。;Ulbrich,S.,《具有PDE约束的优化》,第23卷(2008年),施普林格科学与商业媒体:施普林格科学与商业媒体安特卫普·Zbl 1167.49001号
[14] 伊藤,K。;Kunisch,K.,《变分问题和应用的拉格朗日乘数法》,第15卷(2008),SIAM:SIAM Philadelphia·Zbl 1156.49002号
[15] 雅格塔普,A.D。;川口,K。;Karniadakis,G.Em,深度和物理信息神经网络的斜率恢复局部自适应激活函数,Proc。R.Soc.A,4762239,第20200334条,第(2020)页·Zbl 1472.68175号
[16] 雅格塔普,A.D。;川口,K。;Karniadakis,G.E.,《自适应激活函数加速深度和物理信息神经网络的收敛》,J.Compute。物理。,404,第109136条pp.(2020)·Zbl 1453.68165号
[17] 雅格塔普,A.D。;Kharazmi,E。;Karniadakis,G.E.,守恒定律离散域上的守恒物理信息神经网络:正问题和逆问题的应用,计算。方法应用。机械。工程,365,第113028条pp.(2020)·Zbl 1442.92002号
[18] 金,X。;蔡,S。;李,H。;Karniadakis,G.E.,NSFnets(Navier-Stokes流网):不可压缩Navier-Stokes方程的物理信息神经网络,J.Compute。物理。,426,第109951条pp.(2021)·Zbl 07510065号
[19] Kharazmi,E。;张,Z。;Karniadakis,G.E.,hp-VPINNs:带区域分解的变分物理信息神经网络,计算。方法应用。机械。工程,374,文章113547 pp.(2021)·Zbl 1506.68105号
[20] Kingma,D.P。;Ba,J.,Adam:一种随机优化方法,(Bengio,Y.;LeCun,Y.,第三届学习表征国际会议,ICLR 2015。2015年5月7日至9日在美国加利福尼亚州圣地亚哥举行的第三届国际学习代表大会(2015年)
[21] 克里日夫斯基,A。;Sutskever,I。;Hinton,G.E.,深度卷积神经网络的Imagenet分类,高级神经信息处理。系统。,25, 1097-1105 (2012)
[22] Lassila,T。;Manzoni,A。;Quarteroni,A。;Rozza,G.,血流动力学逆问题的简化计算和几何框架,国际数字杂志。方法生物识别。工程,29,7,741-776(2013)
[23] Leugering,G。;本纳,P。;Engell,S。;Griewank,A。;哈布雷希特,H。;Hinze,M。;Rannacher,R。;Ulbrich,S.,《PDE约束优化趋势》(2014),Springer:Springer New York·Zbl 1306.49001号
[24] 李,Z。;郑浩。;科瓦奇奇,N。;金,D。;陈,H。;刘,B。;Azizzadenesheli,K。;Anandkumar,A.,学习偏微分方程的基于物理的神经算子(2021),arXiv预印本
[25] 林,X。;里文森,Y。;Yardimci,N.T。;维利,M。;罗,Y。;Jarrahi,M。;Ozcan,A.,《使用衍射深度神经网络的全光机器学习》,《科学》,361,6406,1004-1008(2018)·Zbl 1415.68171号
[26] Lions,J.L.,偏微分方程控制系统的最优控制,第170卷(1971),Springer-Verlagr:Springer-Verlagr-Berlin和Heidelberg·兹标0203.09001
[27] 卢,L。;Jin,P。;庞,G。;张,Z。;Karniadakis,G.E.,基于算子的普遍逼近定理,通过DeepONet学习非线性算子,Nat.Mach。智力。,3、3、218-229(2021年3月)
[28] Mahmoudabadbozchelou,M。;卡吉奥尼,M。;沙沙瓦里,S。;哈特,W.H。;Em Karniadakis,G。;Jamali,S.,数据驱动物理学,复杂流体的本构超模型:多理想神经网络(MFNN)框架,J.Rheol。,65, 2, 179-198 (2021)
[29] X孟。;李,Z。;张,D。;Karniadakis,G.E.,PPINN:时间依赖性偏微分方程的仿实物理信息神经网络,计算。方法应用。机械。工程,370,第113250条pp.(2020)·Zbl 1506.65181号
[30] Motamed,M.,《用于不确定性量化的多保真神经网络替代采样方法》,《国际不确定性杂志》。量化。,10, 4 (2020) ·Zbl 1498.65012号
[31] Mowlavi,S。;Nabi,S.,使用物理信息神经网络的PDE优化控制(2021),arXiv预印本
[32] Negri,F。;Manzoni,A。;Rozza,G.,斯托克斯方程参数化最优流量控制问题的简化基近似,计算。数学。应用。,69, 4, 319-336 (2015) ·Zbl 1421.49026号
[33] 庞,G。;D'Elia,M。;帕克斯,M。;Karniadakis,G.E.,nPINNs:参数化非局部通用拉普拉斯算子的非局部物理信息神经网络。算法与应用,J.Compute。物理。,422,第109760条pp.(2020)·兹伯利07508384
[34] 彭,W。;周,W。;张杰。;Yao,W.,《利用先前的词典加速物理信息神经网络训练》(2020年),arXiv预印本
[35] 波什塔,M。;Roubíček,T.,通过Oseen近似对Navier-Stokes方程进行最优控制,计算。数学。应用。,53, 3-4, 569-581 (2007) ·Zbl 1133.49024号
[36] Prud'Homme,C。;罗瓦斯,D.V。;Veroy,K。;机械,L。;Maday,Y。;Patera,A。;Turinici,G.,参数化偏微分方程的可靠实时解:降基输出界方法,J.Fluids Eng.,124,1,70-80(2002)
[37] Quarteroni,A。;Rozza,G。;Dedè,L。;Quaini,A.,对流扩散过程控制问题的数值近似,(IFIP系统建模与优化会议(2005),Springer),261-273·Zbl 1214.49029号
[38] Quarteroni,A。;Rozza,G。;Quaini,A.,平流-扩散问题最优控制的简化基方法(2007),RAS和休斯顿大学,技术报告
[39] Quarteroni,A。;Valli,A.,偏微分方程的数值逼近,第23卷(2008年),施普林格科学与商业媒体:施普林格科学与商业媒体柏林和海德堡·Zbl 1151.65339号
[40] 莱斯,M。;佩尔迪卡里斯,P。;Karniadakis,G.E.,《基于物理的神经网络:用于解决涉及非线性偏微分方程的正问题和逆问题的深度学习框架》,J.Compute。物理。,378, 686-707 (2019) ·Zbl 1415.68175号
[41] 莱斯,M。;亚兹达尼,A。;Karniadakis,G.E.,《隐藏流体力学:从流动可视化中学习速度和压力场》,《科学》,367,6481,1026-1030(2020)·Zbl 1478.76057号
[42] 斯特拉祖洛,M。;巴拉林,F。;莫塞蒂,R。;Rozza,G.,环境海洋科学与工程中参数化最优控制问题的模型约简,SIAM J.Sci。计算。,40、4、B1055-B1079(2018)·Zbl 1395.49015号
[43] 斯特拉祖洛,M。;Zainib。;巴拉林,F。;Rozza,G.,面向生物医学和环境科学应用的参数化非线性和时间相关最优流控制问题的降阶方法,(数值数学和高级应用ENUMATH 2019(2021),Springer),841-850·Zbl 1478.49017号
[44] Tröltzsch,F.,偏微分方程的最优控制,数学研究生课程,第112卷(2010),Verlag:Verlag-Wiesbad·Zbl 1195.49001号
[45] 王,D。;Liao,W.,使用神经网络对磁流变液阻尼器进行建模和控制,Smart Mater。结构。,14, 1, 111 (2004)
[46] 王,S。;Wang,H。;Perdikaris,P.,《利用物理学知识的DeepONets学习参数偏微分方程的解算子》,科学出版社。高级,7,40,文章eabi8605 pp.(2021)
[47] Yang,L。;X孟。;Karniadakis,G.E.,B-PINNs:带噪声数据的正向和反向PDE问题的贝叶斯物理信息神经网络,J.Compute。物理。,425,第109913条pp.(2021)·Zbl 07508507号
[48] Zainib。;巴拉林,F。;弗雷姆斯,S。;Triverio,P。;Jiménez-Juan,L。;Rozza,G.,冠状动脉搭桥术中参数最优流量控制的降阶方法,针对患者特定数据同化,Int.J.Numer。方法生物识别。工程,文章e3367 pp.(2020)
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。