We introduce a class of Sparse, Physics-based, and Interpretable Neural Networks (SPINN) for solving ordinary and partial differential equations (PDEs). By reinterpreting a traditional meshless representation of solutions of PDEs we develop a class of sparse neural network architectures that are interpretable. The SPINN model we propose here serves as a seamless bridge between two extreme modeling tools for PDEs, namely dense neural network based methods like Physics Informed Neural Networks (PINNs) and traditional mesh-free numerical methods, thereby providing a novel means to develop a new class of hybrid algorithms that build on the best of both these viewpoints. A unique feature of the SPINN model that distinguishes it from other neural network based approximations proposed earlier is that it is (i) interpretable, and (ii) sparse in the sense that it has much fewer connections than typical dense neural networks used for PDEs. Further, the SPINN algorithm implicitly encodes mesh adaptivity and is able to handle discontinuities in the solutions. In addition, we demonstrate that Fourier series representations can also be expressed as a special class of SPINN and propose generalized neural network analogues of Fourier representations. We illustrate the utility of the proposed method with a variety of examples involving ordinary differential equations, elliptic, parabolic, hyperbolic and nonlinear partial differential equations, and an example in fluid dynamics.


翻译:我们在此建议的 SPINN 模型是两种极端模型工具之间的无缝桥梁,这两种模型是:以密集神经网络为基础的神经网络方法,如物理、智能神经网络(PINN)和传统的无网状数字方法,从而提供了一种新颖的手段来发展新型混合算法,这种算法以这两种观点的最好方式为基础。通过重新解释传统的PDEs解决方案的无孔不入的表达方式,我们开发了一组可以解释的稀疏神经网络结构结构。我们在此提议的 SPINN 模型模式是两种极端模型工具,即以物理、智能网络(PINNW)和传统的无网形数字方法为主的神经网络(SPINN),即以物理、智能网络(PINN)和传统的无网形数字方法为主,从而提供了一种新型混合算法的新类型的混合算法,在这两种观点的最好的基础上发展出新的混合算法。 SPINN模式的一个独特特征是,它与其他基于神经网络的近似近似近似近似近似近似近似结构,我们还可以用一种非普通的变等式模式来解释一种结构。

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