Deep Hidden Physics Models: Deep Learning of Nonlinear Partial 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:332
标识
DOI:10.48550/arxiv.1801.06637
摘要

A long-standing problem at the interface of artificial intelligence and applied mathematics is to devise an algorithm capable of achieving human level or even superhuman proficiency in transforming observed data into predictive mathematical models of the physical world. In the current era of abundance of data and advanced machine learning capabilities, the natural question arises: How can we automatically uncover the underlying laws of physics from high-dimensional data generated from experiments? In this work, we put forth a deep learning approach for discovering nonlinear partial differential equations from scattered and potentially noisy observations in space and time. Specifically, we approximate the unknown solution as well as the nonlinear dynamics by two deep neural networks. The first network acts as a prior on the unknown solution and essentially enables us to avoid numerical differentiations which are inherently ill-conditioned and unstable. The second network represents the nonlinear dynamics and helps us distill the mechanisms that govern the evolution of a given spatiotemporal data-set. We test the effectiveness of our approach for several benchmark problems spanning a number of scientific domains and demonstrate how the proposed framework can help us accurately learn the underlying dynamics and forecast future states of the system. In particular, we study the Burgers', Korteweg-de Vries (KdV), Kuramoto-Sivashinsky, nonlinear Schrödinger, and Navier-Stokes equations.
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