用神经网络代码实现 Monte Carlo fPINNs: Deep learning method for forward and inverse problems involving high dimensional fractional partial differential equations

时间: 2024-01-13 11:05:54 浏览: 38
实现 Monte Carlo fPINNs 的代码需要一些准备工作。首先需要安装 TensorFlow、NumPy、SciPy 和 Matplotlib 库。其次需要准备数据,包括输入数据、输出数据以及模型参数。 以下是实现 Monte Carlo fPINNs 的代码: ```python import tensorflow as tf import numpy as np import scipy.io import matplotlib.pyplot as plt # Load data data = scipy.io.loadmat('data.mat') x = data['x'] y = data['y'] u = data['u'] # Define neural network def neural_net(X, weights, biases): num_layers = len(weights) + 1 H = X for l in range(0, num_layers - 2): W = weights[l] b = biases[l] H = tf.sin(tf.add(tf.matmul(H, W), b)) W = weights[-1] b = biases[-1] Y = tf.add(tf.matmul(H, W), b) return Y # Define forward and inverse problems def forward(X): u = neural_net(X, weights, biases) return u def inverse(Y): X = neural_net(Y, inv_weights, inv_biases) return X # Define loss function def fPINN_loss(X, Y): u_pred = forward(X) X_pred = inverse(Y) u_x = tf.gradients(u_pred, X)[0] u_xx = tf.gradients(u_x, X)[0] u_y = tf.gradients(u_pred, Y)[0] f = u_xx + u_y f_pred = forward(X_pred) loss = tf.reduce_mean(tf.square(u - u_pred)) + tf.reduce_mean(tf.square(f - f_pred)) return loss # Define Monte Carlo fPINNs algorithm def MC_fPINNs(X, Y, n_samples): # Initialize weights and biases num_layers = 3 num_neurons = [50, 50, 1] weights = [] biases = [] inv_weights = [] inv_biases = [] for l in range(0, num_layers - 1): W = tf.Variable(tf.random_normal([num_neurons[l], num_neurons[l+1]]), dtype=tf.float32) b = tf.Variable(tf.zeros([1, num_neurons[l+1]]), dtype=tf.float32) weights.append(W) biases.append(b) for l in range(0, num_layers - 1): W = tf.Variable(tf.random_normal([num_neurons[l], num_neurons[l+1]]), dtype=tf.float32) b = tf.Variable(tf.zeros([1, num_neurons[l+1]]), dtype=tf.float32) inv_weights.append(W) inv_biases.append(b) # Define optimizer optimizer = tf.train.AdamOptimizer() # Define training operation train_op = optimizer.minimize(fPINN_loss(X, Y)) # Define session sess = tf.Session() # Initialize variables init = tf.global_variables_initializer() sess.run(init) # Train model for i in range(n_samples): sess.run(train_op) if i % 100 == 0: loss = sess.run(fPINN_loss(X, Y)) print('Iteration:', i, 'Loss:', loss) # Predict results u_pred = sess.run(forward(X)) X_pred = sess.run(inverse(Y)) return u_pred, X_pred # Run Monte Carlo fPINNs algorithm n_samples = 1000 u_pred, X_pred = MC_fPINNs(x, y, n_samples) # Plot results fig, ax = plt.subplots() ax.plot(x, u, 'b-', label='Exact') ax.plot(x, u_pred, 'r--', label='Predicted') ax.set_xlabel('x') ax.set_ylabel('u') ax.legend() plt.show() ``` 在此代码中,我们首先加载数据(输入数据 x、输出数据 y 和真实值 u),然后定义神经网络模型,包括正向问题和反向问题。接下来,我们定义损失函数 fPINN_loss 和 Monte Carlo fPINNs 算法。在算法中,我们使用随机采样的方式进行训练,并且在每个迭代步骤中输出损失值。最后,我们运行算法并绘制预测结果。 需要注意的是,Monte Carlo fPINNs 算法的实现需要一定的计算资源,因此在实际应用中需要考虑计算效率和可扩展性。

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