We present a method for solving linear and nonlinear PDEs based on the variable projection (VarPro) framework and artificial neural networks (ANN). For linear PDEs, enforcing the boundary/initial value problem on the collocation points leads to a separable nonlinear least squares problem about the network coefficients. We reformulate this problem by the VarPro approach to eliminate the linear output-layer coefficients, leading to a reduced problem about the hidden-layer coefficients only. The reduced problem is solved first by the nonlinear least squares method to determine the hidden-layer coefficients, and then the output-layer coefficients are computed by the linear least squares method. For nonlinear PDEs, enforcing the boundary/initial value problem on the collocation points leads to a nonlinear least squares problem that is not separable, which precludes the VarPro strategy for such problems. To enable the VarPro approach for nonlinear PDEs, we first linearize the problem with a Newton iteration, using a particular form of linearization. The linearized system is solved by the VarPro framework together with ANNs. Upon convergence of the Newton iteration, the network coefficients provide the representation of the solution field to the original nonlinear problem. We present ample numerical examples with linear and nonlinear PDEs to demonstrate the performance of the method herein. For smooth field solutions, the errors of the current method decrease exponentially as the number of collocation points or the number of output-layer coefficients increases. We compare the current method with the ELM method from a previous work. Under identical conditions and network configurations, the current method exhibits an accuracy significantly superior to the ELM method.


翻译:我们提出了一个基于变量预测( VarPro) 框架和人工神经网络( ANN) 的线性和非线性 PDE 解决线性和非线性 PDE 的方法。 对于线性 PDE 来说, 执行合用点的边界/ 初始值问题导致网络系数出现一个可分的非线性最低平方体问题。 我们用 VarPro 方法重新配置这一问题, 消除线性输出层系数, 导致仅对隐性水平系数的问题减少。 首先, 由非线性最低平方计算确定隐藏层系数的非线性价, 然后再用线性最低平面系数方法计算输出系数。 对于非线性PDE, 实施边界/ 初始值问题, 导致非线性最小最小的最小方位问题, 排除 VarPro 的这类问题战略。 为了让 VarPro 方法对非线性水平 PDE 进行调整, 我们首先将问题与牛顿值递增显示显示的直线性值, 线性值系统通过 VarPro 系统与当前 Enalal- rodeal rode rode comm comm rode comm comm comm comm rodul us the the rout the rout the rool romotion romotional romotional rout the rout the rout the rout the rout the romotional rutional romodal romotional commodal romotional commotional commotional rodal rodal rogildal commodal commotional commotions the sold the the the robildal routdal rodal rodal rodal rodal rodal rodal rodal robal routdal rodal rodal rod rodal rod rodal rodal rodal rodal rout the sal rodal routdal commal rodal commodal commd

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