Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Dissertações
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Tipo: Dissertação
Título: Aprendizado de máquina aplicado em equações diferenciais com soluções do tipo sóliton com variação de parâmetros.
Autor(es): OLIVEIRA, Igor Andrade Reis de
Primeiro Orientador: MACHADO, Jeremias Barbosa
metadata.dc.contributor.advisor-co1: PAVAN, Alan Bendasoli
Resumo: Este trabalho introduz uma versão estendida da estrutura de Redes Neurais Informadas pela Física (PINNs) para resolver equações diferenciais parciais (EDPs) parametrizadas, incorporando uma dimensão adicional de entrada para um parâmetro variável 𝑚. Essa melhoria permite que o modelo generalize soluções ao longo de um intervalo específico de parâmetros sem a necessidade de retreinamento para cada valor. Notavelmente, o modelo estendido manteve tempos de treinamento comparáveis ao método padrão (≈280 segundos), demonstrando eficiência computacional apesar da dimensão adicional. Inicialmente, o modelo foi validado em uma equação diferencial ordinária (EDO) de segunda ordem com coeficientes variáveis, generalizando com eficácia soluções ao longo de intervalos de parâmetros. A investigação prosseguiu para a equação não linear de Korteweg-de Vries (KdV), demonstrando a capacidade do modelo em simular interações complexas de sólitons com dados iniciais limitados. Arquiteturas de rede ótimas foram identificadas para diferentes cenários, enfatizando a importância da escolha dos hiperparâmetros. Embora os vínculos físicos tenham sido diretamente implementados usando o DeepXDE, não foram observadas melhorias significativas na precisão, sugerindo que a equação e as condições iniciais já impõem restrições suficientes. O foco principal foi a equação de Sine-Gordon, uma EDP não linear com soluções do tipo sóliton, para avaliar a capacidade do modelo em generalizar para o parâmetro variável 𝑚. Soluções precisas foram obtidas com dados mínimos, destacando a eficiência do modelo. Desafios surgiram quando 𝑚 ≈ 0, onde a equação se aproxima de uma forma de onda linear, reduzindo a capacidade de generalização do modelo. Apesar disso, a abordagem forneceu consistentemente soluções confiáveis na maior parte do intervalo de parâmetros, demonstrando seu potencial para resolver EDPs parametrizadas de forma eficiente
Abstract: This work introduces an extended version of the Physics-Informed Neural Networks (PINNs) framework to solve parametrized partial differential equations (PDEs) by incorporating an additional input dimension for a variable parameter 𝑚. This enhancement enables the model to generalize solutions across a specified parameter range without retraining for each value. Notably, the extended model maintained training times comparable to the standard approach (≈280 seconds), demonstrating computational efficiency despite the added dimension. Initially, the model was validated on a second-order ordinary differential equation (ODE) with variable coefficients, effectively generalizing solutions over parameter ranges. The investigation then progressed to the nonlinear Korteweg-de Vries (KdV) equation, demonstrating the model’s ability to simulate complex soliton interactions using limited initial data points. Optimal network architectures were identified for different scenarios, emphasizing the importance of hyperparameter selection. Although physical constraints were easily implemented using DeepXDE, no significant accuracy improvements were observed, suggesting that the equation and initial conditions provided sufficient restrictions. The primary focus was on the Sine-Gordon equation, a nonlinear PDE with soliton solutions, to evaluate the model’s ability to generalize for variable parameter 𝑚. Accurate solutions were achieved with minimal data, highlighting the model’s efficiency. Challenges arose near 𝑚 = 0, where the equation approaches a linear wave form, reducing the model’s generalization capacity. Despite this, the approach consistently delivered reliable solutions across most of the parameter range, demonstrating its potential for efficiently solving parametrized PDEs
Palavras-chave: Redes neurais informadas pela física
Equações diferenciais parciais parametrizadas
Equação de Korteweg-de Vries
Equação de Sine-Gordon
Solitons
Aprendizado profundo
Eficiência computacional
CNPq: CNPQ::CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA::CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IESTI - Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologia da Informação
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Mestrado - Ciência e Tecnologia da Computação
Citação: OLIVEIRA, Igor Andrade Reis de. Aprendizado de máquina aplicado em equações diferenciais com soluções do tipo sóliton com variação de parâmetros. 2025. 129 f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Tecnologia da Computação.) – Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2025.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4263
Data do documento: 6-Mai-2025
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