Partial differential equations often contain unknown functions that are difficult or impossible to measure directly, hampering our ability to derive predictions from the model. Workflows for recovering scalar PDE parameters from data are well studied: here we show how similar workflows can be used to recover functions from data. Specifically, we embed neural networks into the PDE and show how, as they are trained on data, they can approximate unknown functions with arbitrary accuracy. Using nonlocal aggregation-diffusion equations as a case study, we recover interaction kernels and external potentials from steady state data. Specifically, we investigate how a wide range of factors, such as the number of available solutions, their properties, sampling density, and measurement noise, affect our ability to successfully recover functions. Our approach is advantageous because it can utilise standard parameter-fitting workflows, and in that the trained PDE can be treated as a normal PDE for purposes such as generating system predictions.


翻译:偏微分方程中常包含难以或无法直接测量的未知函数,这阻碍了我们从模型中推导预测的能力。从数据中恢复标量偏微分方程参数的工作流程已得到充分研究:本文展示了如何利用类似的工作流程从数据中恢复函数。具体而言,我们将神经网络嵌入偏微分方程,并证明其在数据训练过程中能以任意精度逼近未知函数。以非局部聚集-扩散方程为例,我们从稳态数据中恢复了相互作用核与外部势场。我们重点探究了多种因素(如可用解的数量、解的性质、采样密度及测量噪声)如何影响我们成功恢复函数的能力。该方法的优势在于能够利用标准的参数拟合工作流程,且训练后的偏微分方程可被视为常规方程,用于生成系统预测等目的。

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人工神经网络(Artificial Neural Network,即ANN ),是20世纪80 年代以来人工智能领域兴起的研究热点。它从信息处理角度对人脑神经元网络进行抽象, 建立某种简单模型,按不同的连接方式组成不同的网络。在工程与学术界也常直接简称为神经网络或类神经网络。神经网络是一种运算模型,由大量的节点(或称神经元)之间相互联接构成。每个节点代表一种特定的输出函数,称为激励函数(activation function)。每两个节点间的连接都代表一个对于通过该连接信号的加权值,称之为权重,这相当于人工神经网络的记忆。网络的输出则依网络的连接方式,权重值和激励函数的不同而不同。而网络自身通常都是对自然界某种算法或者函数的逼近,也可能是对一种逻辑策略的表达。 最近十多年来,人工神经网络的研究工作不断深入,已经取得了很大的进展,其在模式识别、智能机器人、自动控制、预测估计、生物、医学、经济等领域已成功地解决了许多现代计算机难以解决的实际问题,表现出了良好的智能特性。
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