МЕТОД ПАРАМЕТРИЗАЦИИ И ФИЗИЧЕСКИ ИНФОРМИРОВАННЫЕ НЕЙРОННЫЕ СЕТИ ДЛЯ УРАВНЕНИЯ ДУФФИНГА

Авторы

DOI:

https://doi.org/10.66941/3106-9037/2026/iss3pp7-16

Аннотация

Вступление. Физически информированные нейронные сети (PINN) все чаще предлагаются как универсальные решатели дифференциальных уравнений, однако их надежность для нелинейных осцилляторов с несколькими периодическими решениями изучена недостаточно. Цели и задачи. Сравнить метод параметризации Д.С. Джумабаева с PINN при нахождении периодических решений уравнения Дуффинга по точности, затратам, устойчивости и контролю над сосуществующими решениями. Результаты. Метод параметризации достиг погрешности 10⁻⁸-10⁻⁷ за сотые доли секунды; разбиение на восемь частей при сильной мягкой нелинейности повысило долю сходящихся начальных приближений с 0-9% до 61-100%; в сочетании с продолжением по длине дуги и мультипликаторами Флоке метод воспроизвел полный гистерезис амплитудно-частотной характеристики. PINN достигли погрешности 10⁻⁶ 10⁻² за 20-40 с и в ряде режимов сходились к другому периодическому решению при столь же малой функции потерь. Заключение. Решения PINN нуждаются в верификации, которую обеспечивает метод параметризации.

Ключевые слова:

уравнение Дуффинга, периодическая краевая задача, метод параметризации, физически информированные нейронные сети, метод Ньютона, амплитудно-частотная характеристика.

Биография автора

A.Э. Ким, Международный университет информационных технологий, Алматы, Казахстан

Ким Андрей Эдикович, магистр технических наук, ассистент-профессор кафедры математического и компьютерного моделирования, Международный университет информационных технологий, ул. Манаса, 34/1, Алматы 050040, Казахстан. 
Е-mail: kandreym@icloud.com; https://doi.org/: 0009-0006-3369-7694

Библиографические ссылки

1. Allgower E.L., Georg K. (2003). Introduction to Numerical Continuation Methods. Philadelphia: SIAM. 388 p.

2. Ascher U.M., Mattheij R.M.M., Russell R.D. (1995). Numerical Solution of Boundary Value Problems for Ordinary Differential Equations. Philadelphia: SIAM. 595 p.

3. Butcher J.C. (2016). Numerical Methods for Ordinary Differential Equations. 3rd ed. Chichester: Wiley. 513 p.

4. Deuflhard P. (2011). Newton Methods for Nonlinear Problems: Affine Invariance and Adaptive Algorithms. Berlin: Springer. 424 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-23899-4

5. Dong S., Ni N. (2021). A method for representing periodic functions and enforcing exactly periodic boundary conditions with deep neural networks. Journal of Computational Physics, 435, 110242. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2021.110242

6. Duffing G. (1918). Erzwungene Schwingungen bei veränderlicher Eigenfrequenz und ihre technische Bedeutung [Forced oscillations with variable natural frequency and their technical significance]. Braunschweig: Vieweg. 134 p. (In German)

7. Dzhumabaev D.S. (1989). Criteria for the unique solvability of a linear boundary-value problem for an ordinary differential equation. USSR Computational Mathematics and Mathematical Physics, 29(1), 34-46.

8. Dzhumabaev D.S., Temesheva S.M. (2007). A parametrization method for solving nonlinear two-point boundary value problems. Computational Mathematics and Mathematical Physics, 47(1), 37-61.

9. Dzhumabaev D.S., Temesheva S.M. (2013). Necessary and sufficient conditions for the existence of an “isolated” solution of a nonlinear two-point boundary-value problem. Journal of Mathematical Sciences, 194(4), 341-353.

10. Dzhumabaev D.S., Temesheva S.M. (2018). Criteria for the existence of an isolated solution of a nonlinear boundary-value problem. Ukrainian Mathematical Journal, 70(3), 410-421.

11. Guckenheimer J., Holmes P. (1983). Nonlinear Oscillations, Dynamical Systems, and Bifurcations of Vector Fields. New York: Springer. 459 p.

12. Hairer E., Nørsett S.P., Wanner G. (1993). Solving Ordinary Differential Equations I: Nonstiff Problems. 2nd ed. Berlin: Springer. 528 p. https://doi.org/10.1007/978-3-540-78862-1

13. Holmes P. (1979). A nonlinear oscillator with a strange attractor. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, 292(1394), 419-448. https://doi.org/10.1098/rsta.1979.0068

14. Kantorovich L.V., Akilov G.P. (1982). Functional Analysis. 2nd ed. Oxford: Pergamon Press. 589 p.

15. Karniadakis G.E., Kevrekidis I.G., Lu L., Perdikaris P., Wang S., Yang L. (2021). Physics-informed machine learning. Nature Reviews Physics, 3(6), 422-440. https://doi.org/10.1038/s42254-021-00314-5

16. Keller H.B. (1968). Numerical Methods for Two-Point Boundary-Value Problems. Waltham: Blaisdell. 184 p.

17. Keller H.B. (1977). Numerical solution of bifurcation and nonlinear eigenvalue problems. In: P.H. Rabinowitz (Ed.), Applications of Bifurcation Theory (pp. 359-384). New York: Academic Press.

18. Kierzenka J., Shampine L.F. (2001). A BVP solver based on residual control and the MATLAB PSE. ACM Transactions on Mathematical Software, 27(3), 299-316. https://doi.org/10.1145/502800.502801

19. Kingma D.P., Ba J. (2015). Adam: a method for stochastic optimization. In: Proceedings of the 3rd International Conference on Learning Representations (ICLR). San Diego. https://arxiv.org/abs/1412.6980

20. Kovacic I., Brennan M.J. (Eds.) (2011). The Duffing Equation: Nonlinear Oscillators and their Behaviour. Chichester: Wiley. 386 p.

21. Krack M., Gross J. (2019). Harmonic Balance for Nonlinear Vibration Problems. Cham: Springer. 159 p. https://doi.org/10.1007/978-3-030-14023-6

22. Krishnapriyan A.S., Gholami A., Zhe S., Kirby R.M., Mahoney M.W. (2021). Characterizing possible failure modes in physics-informed neural networks. Advances in Neural Information Processing Systems, 34, 26548-26560. https://arxiv.org/abs/2109.01050

23. Lagaris I.E., Likas A., Fotiadis D.I. (1998). Artificial neural networks for solving ordinary and partial differential equations. IEEE Transactions on Neural Networks, 9(5), 987-1000. https://doi.org/10.1109/72.712178

24. Liu D.C., Nocedal J. (1989). On the limited memory BFGS method for large scale optimization. Mathematical Programming, 45, 503-528. https://doi.org/10.1007/BF01589116

25. Maclaurin D., Duvenaud D., Adams R.P. (2015). Autograd: effortless gradients in NumPy. In: ICML 2015 AutoML Workshop. Lille. https://github.com/HIPS/autograd

26. Nayfeh A.H., Balachandran B. (1995). Applied Nonlinear Dynamics: Analytical, Computational, and Experimental Methods. New York: Wiley. 685 p.

27. Nayfeh A.H., Mook D.T. (1979). Nonlinear Oscillations. New York: Wiley. 704 p.

28. Raissi M., Perdikaris P., Karniadakis G.E. (2019). Physics-informed neural networks: a deep learning framework for solving forward and inverse problems involving nonlinear partial differential equations. Journal of Computational Physics, 378, 686-707. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2018.10.045

29. Roache P.J. (2002). Code verification by the method of manufactured solutions. Journal of Fluids Engineering, 124(1), 4-10. https://doi.org/10.1115/1.1436090

30. Stoer J., Bulirsch R. (2002). Introduction to Numerical Analysis. 3rd ed. New York: Springer. 744 p. https://doi.org/10.1007/978-0-387-21738-3

31. Temesheva S.M. (2020). A modification of algorithms of the Dzhumabaev parametrization method and a numerical method. International Journal of Information and Communication Technologies, 2(1), 66-73.

32. Temesheva S.M., Abdimanapova P.B., Borisov D.I. (2021). Ob odnom metode resheniya semeistva nelineinykh kraevykh zadach dlya obyknovennykh differentsial’nykh uravnenii [On a method for solving a family of nonlinear boundary value problems for ordinary differential equations]. [Bulletin of Abai KazNPU. Series of Physical and Mathematical Sciences], 1(73), 70-75. https://doi.org/10.51889/2021-1.1728-7901.09 (In Russ.)

33. Traub J.F., Woźniakowski H. (1979). Convergence and complexity of Newton iteration for operator equations. Journal of the ACM, 26(2), 250-258.

34. Ueda Y. (1979). Randomly transitional phenomena in the system governed by Duffing’s equation. Journal of Statistical Physics, 20(2), 181-196. https://doi.org/10.1007/BF01011513

35. Virtanen P., Gommers R., Oliphant T.E. et al. (2020). SciPy 1.0: fundamental algorithms for scientific computing in Python. Nature Methods, 17(3), 261-272. https://doi.org/10.1038/s41592-019-0686-2

36. Wang S., Teng Y., Perdikaris P. (2021). Understanding and mitigating gradient flow pathologies in physics-informed neural networks. SIAM Journal on Scientific Computing, 43(5), A3055-A3081. https://doi.org/10.1137/20M1318043

37. Wilson E.B. (1927). Probable inference, the law of succession, and statistical inference. Journal of the American Statistical Association, 22(158), 209-212. https://doi.org/10.1080/01621459.1927.10502953

Загрузки

Просмотров аннотации: 0 | Загрузок PDF: 0

Опубликован

30.09.2026

Как цитировать

Ким A. (2026). МЕТОД ПАРАМЕТРИЗАЦИИ И ФИЗИЧЕСКИ ИНФОРМИРОВАННЫЕ НЕЙРОННЫЕ СЕТИ ДЛЯ УРАВНЕНИЯ ДУФФИНГА . НАУКА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ, 2(3), 7–16. https://doi.org/10.66941/3106-9037/2026/iss3pp7-16