The solution of time dependent differential equations with neural networks has attracted a lot of attention recently. The central idea is to learn the laws that govern the evolution of the solution from data, which might be polluted with random noise. However, in contrast to other machine learning applications, usually a lot is known about the system at hand. For example, for many dynamical systems physical quantities such as energy or (angular) momentum are exactly conserved. Hence, the neural network has to learn these conservation laws from data and they will only be satisfied approximately due to finite training time and random noise. In this paper we present an alternative approach which uses Noether's Theorem to inherently incorporate conservation laws into the architecture of the neural network. We demonstrate that this leads to better predictions for three model systems: the motion of a non-relativistic particle in a three-dimensional Newtonian gravitational potential, the motion of a massive relativistic particle in the Schwarzschild metric and a system of two interacting particles in four dimensions.


翻译:与神经网络相关的基于时间的差别方程式的解决方案最近引起了许多关注。 中心思想是从数据中学习指导解决方案演变的法律, 这些数据可能会被随机噪音污染。 但是, 与其他机器学习应用相比, 通常对手头的系统有很多了解。 例如, 许多动态系统物理量的物理量, 如能量或(角)动力, 都得到了完全保存。 因此, 神经网络必须从数据中学习这些保护法, 只有有限的培训时间和随机噪音才能满足这些保护法。 在本文中, 我们提出了一个替代方法, 利用Nother的理论将保护法内在地纳入神经网络的结构。 我们证明, 这可以导致对三种模型系统的更好预测: 一个非相对粒子在三维的牛顿引力潜能中的运动, 一个巨大的相对粒子在Schwarzschild 参数中的运动, 以及一个四个维度的两个相互作用粒子的系统。

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