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Deep Hidden Physics Models: Deep Learning of Nonlinear Partial\n Differential Equations

非线性系统 深度学习 偏微分方程 人工智能 物理 应用数学 统计物理学 计算机科学 数学 量子力学
作者
Maziar Raissi
出处
期刊:Cornell University - arXiv 被引量:303
标识
DOI:10.48550/arxiv.1801.06637
摘要

A long-standing problem at the interface of artificial intelligence and\napplied mathematics is to devise an algorithm capable of achieving human level\nor even superhuman proficiency in transforming observed data into predictive\nmathematical models of the physical world. In the current era of abundance of\ndata and advanced machine learning capabilities, the natural question arises:\nHow can we automatically uncover the underlying laws of physics from\nhigh-dimensional data generated from experiments? In this work, we put forth a\ndeep learning approach for discovering nonlinear partial differential equations\nfrom scattered and potentially noisy observations in space and time.\nSpecifically, we approximate the unknown solution as well as the nonlinear\ndynamics by two deep neural networks. The first network acts as a prior on the\nunknown solution and essentially enables us to avoid numerical differentiations\nwhich are inherently ill-conditioned and unstable. The second network\nrepresents the nonlinear dynamics and helps us distill the mechanisms that\ngovern the evolution of a given spatiotemporal data-set. We test the\neffectiveness of our approach for several benchmark problems spanning a number\nof scientific domains and demonstrate how the proposed framework can help us\naccurately learn the underlying dynamics and forecast future states of the\nsystem. In particular, we study the Burgers', Korteweg-de Vries (KdV),\nKuramoto-Sivashinsky, nonlinear Schr\\"{o}dinger, and Navier-Stokes equations.\n
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