Large scale dynamics of the oceans and the atmosphere are governed by the primitive equations (PEs). Due to the nonlinearity and nonlocality, the numerical study of the PEs is in general a hard task. Neural network has been shown a promising machine learning tool to tackle this challenge. In this work, we employ the physics-informed neural networks (PINNs) to approximate the solutions to the PEs and study the error estimates. We first establish the higher-order regularity for the global solutions to the PEs with either full viscosity and diffusivity, or with only the horizontal ones. Such higher-order regularity results are new and required in the analysis under the PINNs framework. Then we prove the existence of two layer tanh PINNs of which the corresponding training error can be arbitrarily small by taking the width of PINNs to be sufficiently wide, and the error between the true solution and the approximation can be arbitrarily small provided that the training error is small enough and the sample set is large enough. In particular, our analysis includes higher-order (in spatial Sobolev norm) error estimates, and improves existing results in PINNs' literature which concerns only the $L^2$ error. Numerical results on prototype systems are presented for further illustrating the advantage of using $H^s$ norm during the training.


翻译:海洋和大气的大规模动态由原始方程式(PE)管理。由于非线性和不位置性,对PE的数值研究一般是一项艰巨的任务。神经网络被展示为应对这一挑战的一个很有希望的机器学习工具。在这项工作中,我们使用物理知情神经网络(PINNs)来近似PEs的解决方案并研究误差估计。我们首先为PEs的全球解决方案建立更高层次的规律性,要么是全粘度和分异度,要么只是横向的。这种更高层次的规律性是新的,在PINNs框架下的分析中要求这种更高的规律性结果。然后,我们证明存在两个层次的坦尼PINNs,由于PINNN的宽度足够宽,因此相应的培训错误可能是任意的,而真正的解决方案和近似值之间的错误可能是任意的,只要培训错误足够小,样本也足够大。特别是,我们的分析包括更高层次的顺序(空间SO$规范)的常规结果是新的,在PINSER系统中需要更精确地说明PN的模型。

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