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
35+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
61+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
《人工智能赋能的适应性多功能电磁战》
专知会员服务
9+阅读 · 9月29日
俄乌战场实验室:全面战争如何重塑现代作战
专知会员服务
6+阅读 · 9月29日
2026年美空军协会会议上的无人机系统趋势
专知会员服务
8+阅读 · 9月28日
反制无人机:乌克兰提供的五点启示
专知会员服务
13+阅读 · 9月23日
《各指挥层级均亟需红队能力》报告
专知会员服务
10+阅读 · 9月23日
《航电任务系统框架(FAMOS)》50页报告
专知会员服务
9+阅读 · 9月22日
《对抗行动中的人工智能与自主性》智库报告
专知会员服务
14+阅读 · 9月22日
《从数据到胜利:战争中的分析优势之争》
专知会员服务
17+阅读 · 9月22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