We present a physics-informed machine-learning (PIML) approach for the approximation of slow invariant manifolds (SIMs) of singularly perturbed systems, providing functionals in an explicit form that facilitate the construction and numerical integration of reduced order models (ROMs). The proposed scheme solves a partial differential equation corresponding to the invariance equation (IE) within the Geometric Singular Perturbation Theory (GSPT) framework. For the solution of the IE, we used two neural network structures, namely feedforward neural networks (FNNs), and random projection neural networks (RPNNs), with symbolic differentiation for the computation of the gradients required for the learning process. The efficiency of our PIML method is assessed via three benchmark problems, namely the Michaelis-Menten, the target mediated drug disposition reaction mechanism, and the 3D Sel'kov model. We show that the proposed PIML scheme provides approximations, of equivalent or even higher accuracy, than those provided by other traditional GSPT-based methods, and importantly, for any practical purposes, it is not affected by the magnitude of the perturbation parameter. This is of particular importance, as there are many systems for which the gap between the fast and slow timescales is not that big, but still ROMs can be constructed. A comparison of the computational costs between symbolic, automatic and numerical approximation of the required derivatives in the learning process is also provided.


翻译:我们提出了一种基于物理信息的机器学习方法,用于逼近奇异摄动系统的慢不变流形,以显式函数形式提供泛函,从而促进降阶模型的构建与数值积分。该方案在几何奇异摄动理论框架下求解与不变方程对应的偏微分方程。为求解不变方程,我们采用了两种神经网络结构——前馈神经网络和随机投影神经网络,并利用符号微分计算学习过程中所需的梯度。通过三个基准问题(米氏-门滕动力学、靶标介导的药物处置反应机制及三维Sel'kov模型)评估了该物理信息机器学习方法的效率。研究表明,本文提出的方法能提供与传统几何奇异摄动理论方法精度相当甚至更高的逼近结果,且重要的是,在实际应用中其精度不受摄动参数大小的影响。这一特性尤为重要,因为许多系统的快慢时间尺度间隙虽不显著,但降阶模型仍可构建。此外,我们还比较了学习过程中所需导数的符号微分、自动微分与数值近似三种计算方式的成本。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
论文浅尝 | Question Answering over Freebase
开放知识图谱
19+阅读 · 2018年1月9日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
《国防领域敏感性分析白皮书》
专知会员服务
0+阅读 · 今天3:42
综述 | 从问答到任务完成:Agent系统与Harness设计
Agentic RL:框架、实践与长程智能体训练
专知会员服务
2+阅读 · 6月24日
重新思考无人机时代的生存能力
专知会员服务
6+阅读 · 6月24日
装甲突击旅:现代战争思考、战斗与组织
专知会员服务
5+阅读 · 6月24日
在人工智能加速决策环境中拓展OODA循环
专知会员服务
6+阅读 · 6月24日
军事欺骗:供作战战术指挥官使用的工具
专知会员服务
5+阅读 · 6月24日
综述 | 世界动作模型:少做梦,多行动
专知会员服务
7+阅读 · 6月23日
美以伊冲突:无人机与人工智能的运用
专知会员服务
12+阅读 · 6月23日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
论文浅尝 | Question Answering over Freebase
开放知识图谱
19+阅读 · 2018年1月9日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员