The numerical solution of differential equations using neural networks has become a central topic in scientific computing, with Physics-Informed Neural Networks (PINNs) emerging as a powerful paradigm for both forward and inverse problems. However, unlike classical numerical methods that offer established convergence guarantees, neural network-based approximations typically lack rigorous error bounds. Furthermore, the non-deterministic nature of their optimization makes it difficult to mathematically certify their accuracy. To address these challenges, we propose a "Learn and Verify" framework that provides computable, mathematically rigorous error bounds for the solutions of differential equations. By combining a novel Doubly Smoothed Maximum (DSM) loss for training with interval arithmetic for verification, we compute rigorous a posteriori error bounds as machine-verifiable proofs. Numerical experiments on nonlinear Ordinary Differential Equations (ODEs), including problems with time-varying coefficients and finite-time blow-up, demonstrate that the proposed framework successfully constructs rigorous enclosures of the true solutions, establishing a foundation for trustworthy scientific machine learning.


翻译:利用神经网络求解微分方程的数值方法已成为科学计算的核心课题,物理信息神经网络(PINNs)作为处理正问题和反问题的强大范式应运而生。然而,与具备成熟收敛保证的经典数值方法不同,基于神经网络的近似方法通常缺乏严格的误差界。此外,其优化过程的非确定性使得在数学上难以严格证明其精度。为应对这些挑战,我们提出一种"学习与验证"框架,为微分方程的解提供可计算的、数学严格的误差界。通过将训练阶段的新型双平滑最大值(DSM)损失函数与验证阶段的区间算术相结合,我们计算出可作为机器可验证证明的严格后验误差界。在非线性常微分方程(包括含时变系数和有限时间爆破问题)上的数值实验表明,所提框架成功构建了真实解的严格包络,为可信赖的科学机器学习奠定了理论基础。

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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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