We consider the inverse problem for the Partial Differential Equations (PDEs) such that the parameters of the dependency structure can exhibit random changepoints over time. This can arise, for example, when the physical system is either under malicious attack (e.g., hacker attacks on power grids and internet networks) or subject to extreme external conditions (e.g., weather conditions impacting electricity grids or large market movements impacting valuations of derivative contracts). For that purpose, we employ Physics Informed Neural Networks (PINNs) -- universal approximators that can incorporate prior information from any physical law described by a system of PDEs. This prior knowledge acts in the training of the neural network as a regularization that limits the space of admissible solutions and increases the correctness of the function approximation. We show that when the true data generating process exhibits changepoints in the PDE dynamics, this regularization can lead to a complete miss-calibration and a failure of the model. Therefore, we propose an extension of PINNs using a Total-Variation penalty which accommodates (multiple) changepoints in the PDE dynamics. These changepoints can occur at random locations over time, and they are estimated together with the solutions. We propose an additional refinement algorithm that combines changepoints detection with a reduced dynamic programming method that is feasible for the computationally intensive PINNs methods, and we demonstrate the benefits of the proposed model empirically using examples of different equations with changes in the parameters. In case of no changepoints in the data, the proposed model reduces to the original PINNs model. In the presence of changepoints, it leads to improvements in parameter estimation, better model fitting, and a lower training error compared to the original PINNs model.


翻译:我们认为部分差异方程式(PDEs)存在反面问题,因此依赖结构的参数可以显示随时间推移随机变化点。例如,当物理系统受到恶意攻击(如黑客袭击电网和互联网网络)或受到极端外部条件(如影响电网的天气条件或影响衍生合同估值的大型市场移动)的制约时,就会产生这种情况。为此,我们采用了物理信息化Nural网络(PINNN) -- -- 通用的连接器,能够纳入PDE系统描述的任何物理法先前的信息。这可能会发生。例如,当物理系统受到恶意攻击(如黑客袭击电网和互联网网络网络)或受到极端外部条件(如影响电网或影响衍生合同估值的大型市场移动)的制约时,那么,就会出现这样的情况发生。为此,我们建议使用全轨法改进(多功能化)对等式的物理法参数进行随机调整,然后用随机模型对等价计算结果,然后用随机方法对PDE数据进行合并。

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