Physics informed neural networks (PINNs) have proven to be an efficient tool to represent problems for which measured data are available and for which the dynamics in the data are expected to follow some physical laws. In this paper, we suggest a multiobjective perspective on the training of PINNs by treating the data loss and the residual loss as two individual objective functions in a truly biobjective optimization approach. As a showcase example, we consider COVID-19 predictions in Germany and built an extended susceptibles-infected-recovered (SIR) model with additionally considered leaky-vaccinated and hospitalized populations (SVIHR model) to model the transition rates and to predict future infections. SIR-type models are expressed by systems of ordinary differential equations (ODEs). We investigate the suitability of the generated PINN for COVID-19 predictions and compare the resulting predicted curves with those obtained by applying the method of non-standard finite differences to the system of ODEs and initial data. The approach is applicable to various systems of ODEs that define dynamical regimes. Those regimes do not need to be SIR-type models, and the corresponding underlying data sets do not have to be associated with COVID-19.


翻译:事实证明,物理学知情神经网络(PINNs)是一个有效的工具,可以代表有可计量数据的问题,并且预计数据动态将遵循某些物理法则。在本文件中,我们建议从多客观的角度来培训PINNs,将数据损失和剩余损失作为两个单独的客观功能,在真正双目标优化的方法中将数据损失和剩余损失作为两个单独的客观功能处理。作为一个示范的例子,我们考虑德国的COVID-19预测,并在德国建立了一个扩大的易感感染-已恢复(SIR)模型,并附加了更多考虑的漏泄和住院人口(SVIHR模型),以模拟过渡率和预测未来感染。SIR型模型由普通差异方程式(ODs)表示。我们调查产生的PINN对COVID-19预测的适宜性,并将由此产生的预测曲线与通过对ODs和初始数据系统应用非标准限值差异的方法获得的曲线进行比较。这种方法适用于确定动态系统的各种ODE系统(SIR-19型模型)。这些系统不需要是SIR-19型模型,相应的基本数据集与CO-VI系统相联系。

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