Due to the complex behavior arising from non-uniqueness, symmetry, and bifurcations in the solution space, solving inverse problems of nonlinear differential equations (DEs) with multiple solutions is a challenging task. To address this issue, we propose homotopy physics-informed neural networks (HomPINNs), a novel framework that leverages homotopy continuation and neural networks (NNs) to solve inverse problems. The proposed framework begins with the use of a NN to simultaneously approximate known observations and conform to the constraints of DEs. By utilizing the homotopy continuation method, the approximation traces the observations to identify multiple solutions and solve the inverse problem. The experiments involve testing the performance of the proposed method on one-dimensional DEs and applying it to solve a two-dimensional Gray-Scott simulation. Our findings demonstrate that the proposed method is scalable and adaptable, providing an effective solution for solving DEs with multiple solutions and unknown parameters. Moreover, it has significant potential for various applications in scientific computing, such as modeling complex systems and solving inverse problems in physics, chemistry, biology, etc.


翻译:由于解空间中出现的非唯一性、对称性和分岔等复杂行为,求解具有多个解的非线性微分方程的反问题是一项具有挑战性的任务。为解决此问题,我们提出了同伦物理信息神经网络 (HomPINNs),这是一种利用同伦追踪技术和神经网络 (NNs) 来求解反问题的全新框架。所提出的框架首先利用神经网络同时逼近已知观测值和微分方程的约束条件,然后利用同伦追踪方法追踪逼近结果以确认多个解并求解反问题。实验涉及测试所提出方法在一维微分方程中的性能,并应用于求解二维Gray-Scott模拟。我们的研究表明,所提出的方法具有可扩展性和适应性,是解决带有多种解和未知参数的微分方程反问题的有效方法。此外,它在科学计算中有广泛应用前景,如建模复杂系统、解决物理、化学、生物等领域的逆问题。

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