Deep neural networks have garnered widespread attention due to their simplicity and flexibility in the fields of engineering and scientific calculation. In this study, we probe into solving a class of elliptic partial differential equations(PDEs) with multiple scales by utilizing Fourier-based mixed physics informed neural networks(dubbed FMPINN), its solver is configured as a multi-scale deep neural network. In contrast to the classical PINN method, a dual (flux) variable about the rough coefficient of PDEs is introduced to avoid the ill-condition of neural tangent kernel matrix caused by the oscillating coefficient of multi-scale PDEs. Therefore, apart from the physical conservation laws, the discrepancy between the auxiliary variables and the gradients of multi-scale coefficients is incorporated into the cost function, then obtaining a satisfactory solution of PDEs by minimizing the defined loss through some optimization methods. Additionally, a trigonometric activation function is introduced for FMPINN, which is suited for representing the derivatives of complex target functions. Handling the input data by Fourier feature mapping will effectively improve the capacity of deep neural networks to solve high-frequency problems. Finally, to validate the efficiency and robustness of the proposed FMPINN algorithm, we present several numerical examples of multi-scale problems in various dimensional Euclidean spaces. These examples cover both low-frequency and high-frequency oscillation cases, demonstrating the effectiveness of our approach. All code and data accompanying this manuscript will be made publicly available at \href{https://github.com/Blue-Giant/FMPINN}{https://github.com/Blue-Giant/FMPINN}.


翻译:深度神经网络因其在工程与科学计算领域的简洁性及灵活性而受到广泛关注。本研究探讨了利用基于傅里叶的混合物理信息神经网络(简称FMPINN)求解一类含多尺度的椭圆型偏微分方程,其求解器被配置为多尺度深度神经网络。与经典PINN方法相比,我们引入了关于偏微分方程粗糙系数的对偶(通量)变量,以避免多尺度偏微分方程中震荡系数所导致的神经切向核矩阵病态问题。因此,除了物理守恒定律外,辅助变量与多尺度系数梯度之间的差异也被纳入代价函数中,并通过优化方法最小化所定义的损失函数,从而获得偏微分方程的满意解。此外,FMPINN引入了适合表征复杂目标函数导数的三角函数激活函数。通过傅里叶特征映射处理输入数据,将有效提升深度神经网络求解高频问题的能力。最后,为验证所提FMPINN算法的效率与鲁棒性,我们展示了多个不同维度欧氏空间中多尺度问题的数值算例。这些算例涵盖低频与高频振荡情形,验证了本方法的有效性。本文所有代码和数据集将在\href{https://github.com/Blue-Giant/FMPINN}{https://github.com/Blue-Giant/FMPINN}公开发布。

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神经网络(Neural Networks)是世界上三个最古老的神经建模学会的档案期刊:国际神经网络学会(INNS)、欧洲神经网络学会(ENNS)和日本神经网络学会(JNNS)。神经网络提供了一个论坛,以发展和培育一个国际社会的学者和实践者感兴趣的所有方面的神经网络和相关方法的计算智能。神经网络欢迎高质量论文的提交,有助于全面的神经网络研究,从行为和大脑建模,学习算法,通过数学和计算分析,系统的工程和技术应用,大量使用神经网络的概念和技术。这一独特而广泛的范围促进了生物和技术研究之间的思想交流,并有助于促进对生物启发的计算智能感兴趣的跨学科社区的发展。因此,神经网络编委会代表的专家领域包括心理学,神经生物学,计算机科学,工程,数学,物理。该杂志发表文章、信件和评论以及给编辑的信件、社论、时事、软件调查和专利信息。文章发表在五个部分之一:认知科学,神经科学,学习系统,数学和计算分析、工程和应用。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/nn/
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