<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.3 20210610//EN" "JATS-journalpublishing1-3.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="1.3" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xml:lang="ru"><front><journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher-id">vmait</journal-id><journal-title-group><journal-title xml:lang="ru">Computational Mathematics and Information Technologies</journal-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Computational Mathematics and Information Technologies</trans-title></trans-title-group></journal-title-group><issn pub-type="epub">2587-8999</issn><publisher><publisher-name>Донской государственный технический университет</publisher-name></publisher></journal-meta><article-meta><article-id pub-id-type="doi">10.23947/2587-8999-2025-9-2-44-51</article-id><article-id custom-type="elpub" pub-id-type="custom">vmait-194</article-id><article-categories><subj-group subj-group-type="heading"><subject>Research Article</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="ru"><subject>Mathematical Modelling (Математическое моделирование)</subject></subj-group></article-categories><title-group><article-title>Применение нейронных сетей при решении эллиптических уравнений для областей сложной формы</article-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Application of Neural Networks for Solving Elliptic Equations in Domains with Complex Geometries</trans-title></trans-title-group></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Галабурдин</surname><given-names>А. В.</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Galaburdin</surname><given-names>A. V.</given-names></name></name-alternatives><bio xml:lang="ru"><p>Александр Васильевич Галабурдин, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры математики и информатики</p><p>344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1</p></bio><bio xml:lang="en"><p>Alexander V. Galaburdin, Cand. Sci. (Phys. – math.), Associate Professor at the Department Mathematics and informatics</p><p>1, Gagarin Sq., Rostovon-Don, 344003</p></bio><email xlink:type="simple">Galaburdin@mail.ru</email><xref ref-type="aff" rid="aff-1"/></contrib></contrib-group><aff-alternatives id="aff-1"><aff xml:lang="ru"><institution>Донской государственный технический университет</institution><country>Россия</country></aff><aff xml:lang="en"><institution>Don State Technical University</institution><country>Russian Federation</country></aff></aff-alternatives><pub-date pub-type="collection"><year>2025</year></pub-date><pub-date pub-type="epub"><day>16</day><month>07</month><year>2025</year></pub-date><volume>9</volume><issue>2</issue><fpage>44</fpage><lpage>51</lpage><permissions><copyright-statement>Copyright &amp;#x00A9; Галабурдин А.В., 2025</copyright-statement><copyright-year>2025</copyright-year><copyright-holder xml:lang="ru">Галабурдин А.В.</copyright-holder><copyright-holder xml:lang="en">Galaburdin A.V.</copyright-holder><license xml:lang="ru" license-type="creative-commons-attribution" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/" xlink:type="simple"><license-p>Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.</license-p></license><license xml:lang="en" license-type="creative-commons-attribution" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/" xlink:type="simple"><license-p>This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.</license-p></license></permissions><self-uri xlink:href="https://www.cmit-journal.ru/jour/article/view/194">https://www.cmit-journal.ru/jour/article/view/194</self-uri><abstract><p>Введение. При построении моделей в различных областях науки и техники часто используют дифференциальные уравнения. В настоящее время при решении дифференциальных уравнений все чаще применяются нейронные сети. В данной работе предложен оригинальный метод построения нейронной сети для решения эллиптических дифференциальных уравнений. Этот метод применяется при решении краевых задач для областей сложной геометрической формы.Материалы и методы. Предлагается метод построения нейронной сети, предназначенной для решения дифференциальных уравнений в частных производных эллиптического типа. Используя замену неизвестной функции, исходная задача сводится к уравнению Лапласа. Таким образом, рассматривались нелинейные дифференциальные уравнения. При построении нейронной сети в качестве активационных функций принимаются производные от сингулярных решений уравнения Лапласа. Сингулярные точки этих решений распределены по замкнутым кривым, охватывающим границу области. При настройке весов сети минимизировалась среднеквадратическая ошибка обучения.Результаты исследования. Представлены результаты решения первой краевой задачи для различных областей сложной геометрической формы. Результаты представлены в виде таблиц, содержащих точные решения задачи и решения, полученные с помощью нейронной сети. Дано графическое представление точного решения и решение, полученное предложенным методом.Обсуждение и заключение. Полученные результаты доказали эффективность предложенного метода построения нейронной сети при решении различных видов дифференциальных уравнений в частных производных эллиптического типа. Данный метод может эффективно применяться при решении других типов дифференциальных уравнений с частными производными</p></abstract><trans-abstract xml:lang="en"><p>Introduction. Differential equations are often used in modelling across various fields of science and engineering. Recently, neural networks have been increasingly applied to solve differential equations. This paper proposes an original method for constructing a neural network to solve elliptic differential equations. The method is used for solving boundary value problems in domains with complex geometric shapes.Materials and Methods. A method is proposed for constructing a neural network designed to solve partial differential equations of the elliptic type. By applying a transformation of the unknown function, the original problem is reduced to Laplace’s equation. Thus, nonlinear differential equations were considered. In building the neural network, the activation functions are chosen as derivatives of singular solutions to Laplace’s equation. The singular points of these solutions are distributed along closed curves encompassing the boundary of the domain. During the training process, the weights of the network are adjusted by minimizing the mean squared error.Results. The paper presents the results of solving the first boundary value problem for various domains with complex geometries. The results are shown in tables containing both the exact solutions and the solutions obtained using the neural network. Graphical representations of the exact and the neural network-based solutions are also provided.Discussion and Conclusion. The obtained results demonstrate the effectiveness of the proposed neural network construction method in solving various types of elliptic partial differential equations. The method can also be effectively applied to other types of partial differential equations</p></trans-abstract><kwd-group xml:lang="ru"><kwd>дифференциальные уравнения в частных производных эллиптического типа</kwd><kwd>область сложной геометрической формы</kwd><kwd>нейронные сети</kwd></kwd-group><kwd-group xml:lang="en"><kwd>elliptic partial differential equations</kwd><kwd>domain with complex geometry</kwd><kwd>neural networks</kwd></kwd-group></article-meta></front><back><ref-list><title>References</title><ref id="cit1"><label>1</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Колмогоров А.Н. О представлении непрерывных функций нескольких переменных в виде суперпозиций непрерывных функций одного переменного и сложения. Доклады Академии наук СССР. 1957;114(5):953–956.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kolmogorov A.N. On the representation of continuous functions of several variables in the form of superpositions of continuous functions of one variable and addition. Reports of the USSR Academy of Sciences. 1957;114(5):953–956. (In Russ.)</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit2"><label>2</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Маргасов О.А. О нейронных обыкновенных дифференциальных уравнениях и их вероятностном расширении. Известия Коми научного центра УрО РАН. Серия «Физико-математические науки». 2021;6(52):14–19. https://doi.org/10.19110/1994-5655-2021-6-14-19</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Margasov O.A. On neural ordinary differential equations and their probabilistic extension. Izvestiya of the Komi Science Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences. Series “Physical and Mathematical Sciences”. 2021;6(52):14–19. https://doi.org/10.19110/1994-5655-2021-6-14-19 (In Russ.)</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit3"><label>3</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Варшавчик Е.А., Галяутдинова А.Р., Седова Ю.С., Тархов Д.А. Решение дифференциальных уравнений в частных производных для областей с постоянными границами. B: Труды 3-й Всероссийской научно-практической конференции «Искусственный интеллект в решении актуальных социальных и экономических проблем ХХI века». Пермь: издательство Пермского государственного национального исследовательского университета; 2018. C. 294.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Varshavchik E.A., Galyautdinova A.R., Sedova Yu.S., Tarkhov D.A. Solution of partial differential equations for domains with constant boundaries. Artificial intelligence in solving current social and economic problems of the 21st century: collection of articles. Art. based on materials from the Third All-Russian. scientific-practical conf. Perm, May 14–18, 2018. Perm. state national research univ.; 2018. 294 p. (In Russ.)</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit4"><label>4</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Тюрин К.А., Брагунец В.В., Светлов Д.Д. Решение дифференциального уравнения Лапласа с помощью модифицированной нейронной сети. Молодой ученый. 2019;27(265):10–12.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Tyurin K.A., Bragunets V.V., Svetlov D.D. Solution of the Laplace differential equation using a modified neural network. Young Scientist. 2019;27(265):10–12. (In Russ.)</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit5"><label>5</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Епифанов А.А. Применение методов глубокого обучения для решения дифференциальных уравнений в частных производных. Успехи кибернетики. 2020;1(4):22–28. https://doi.org/10.51790/2712-9942-2020-1-4-3</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Epifanov A.A. Application of deep learning methods for solving partial differential equations. Advances in cybernetics. 2020;1(4):22–28. https://doi.org/10.51790/2712-9942-2020-1-4-3 (In Russ.)</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit6"><label>6</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Коваленко А.Н., Черноморец А.А., Петина М.А. О применении нейронных сетей для решения дифференциальных уравнений в частных производных. Научные ведомости. Серия Экономика. Информатика. 2017;9(258):103–110.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kovalenko A.N., Chernomorets A.A., Petina M.A. On the use of neural networks for solving partial differential equations. Scientific bulletin. The Economics series. Computer science. 2017;9(258):103–110. (In Russ.)</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit7"><label>7</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Kansa E.J. Motivation for using radial basis functions to solve PDEs. URL: http://uahtitan.uah.edu/kansaweb.html (дата обращения: 13.04.2025)</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kansa E.J. Motivation for using radial basis functions to solve PDEs. URL: http://uahtitan.uah.edu/kansaweb.html (дата обращения: 13.04.2025)</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit8"><label>8</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Kansa E.J. Multiquadrics. A scattered data approximation scheme with applications to computational fluiddynamics. II. Solutions to parabolic, hyperbolic and elliptic partial differential equations. Comput. Math. Appl. 1990;19(89):147–161.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kansa E.J. Multiquadrics. A scattered data approximation scheme with applications to computational fluiddynamics. II. Solutions to parabolic, hyperbolic and elliptic partial differential equations. Comput. Math. Appl. 1990;19(89):147–161.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit9"><label>9</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Almajid M. Abu-Alsaud M. Prediction of porous media fluid flow using physics informed neural networks. Journal of Petroleum Science and Engineering. 2021;208:109205. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2021.109205</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Almajid M. Abu-Alsaud M. Prediction of porous media fluid flow using physics informed neural networks. Journal of Petroleum Science and Engineering. 2021;208:109205. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2021.109205</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit10"><label>10</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Eivazi H.,Tahani M., Schlatter P., Vinuesa R. Physics-informed neural networks for solving Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. Physics of Fluids. 2022;34(7):075117. https://doi.org/10.1063/5.0095270</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Eivazi H.,Tahani M., Schlatter P., Vinuesa R. Physics-informed neural networks for solving Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. Physics of Fluids. 2022;34(7):075117. https://doi.org/10.1063/5.0095270</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit11"><label>11</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Chen J., Viquerat J., Hachem E. U-net Architectures for Fast Prediction of Incompressible Laminar Flows. URL: https://arxiv.org/pdf/1910.13532.pdf (дата обращения: 13.04.2025)</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Chen J., Viquerat J., Hachem E. U-net Architectures for Fast Prediction of Incompressible Laminar Flows. URL: https://arxiv.org/pdf/1910.13532.pdf (дата обращения: 13.04.2025)</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit12"><label>12</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Raissia M., Perdikaris P., Karniadakis G.E. Physics-informed neural networks: A deep learning framework for solving forward and inverse problems involving nonlinear partial differential equations. Journal of Computational Physics. 2019;378:686‒707.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Raissia M., Perdikaris P., Karniadakis G.E. Physics-informed neural networks: A deep learning framework for solving forward and inverse problems involving nonlinear partial differential equations. Journal of Computational Physics. 2019;378:686‒707.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit13"><label>13</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Зрелова Д.П., Ульянов С.В. Модели физически информированных осведомленных классических Лагранжевых Гамильтоновых нейронных сетей в глубоком обучении. Современные информационные технологии и ИТ-образование. 2022;18(2):310–325. https://doi.org/10.25559/SITITO.18.202202.310-325</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Zrelova D.P., Ulyanov S.V. Models of physically informed aware classical Lagrangian Hamiltonian neural networks in deep learning. Modern information technologies and IT education. 2022;18(2):310–325. https://doi.org/10.25559/SITITO.18.202202.310-325 (In Russ.)</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit14"><label>14</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Cai S., Wang Z., Wang S., Perdikaris P., Karniadakis G.E. Physics-informed neural networks for heat transfer problems. Journal of Heat Transfer. 2021;143(6):60‒80. https://doi.org/10.1115/1.4050542</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Cai S., Wang Z., Wang S., Perdikaris P., Karniadakis G.E. Physics-informed neural networks for heat transfer problems. Journal of Heat Transfer. 2021;143(6):60‒80. https://doi.org/10.1115/1.4050542</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit15"><label>15</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Галабурдин А.В. Применение нейронных сетей для решения задачи Дирихле для областей сложной формы. Computational Mathematics and Information Technologies. 2024;8(2):68‒79. https://doi.org/10.23947/2587-8999-2024-8-2-68-79</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Galaburdin A.V. Application of neural networks to solve the Dirichlet problem for areas of complex shape. Computational Mathematics and Information Technologies. 2024;8(2):68‒79. https://doi.org/10.23947/2587-8999-2024-8-2-68-79 (In Russ.)</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit16"><label>16</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Галабурдин А.В. Применение нейронных сетей для решения нелинейных краевых задач для областей сложной формы. Computational Mathematics and Information Technologies. 2024;8(4):35‒42. https://doi.org/10.23947/2587-8999-2024-8-4-35-42</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Galaburdin A.V. Application of neural networks to solve nonlinear boundary value problems for areas of complex shape. Computational Mathematics and Information Technologies. 2024;8(4):35‒42. https://doi.org/10.23947/2587-8999-2024-8-4-35-42 (In Russ.)</mixed-citation></citation-alternatives></ref></ref-list><fn-group><fn fn-type="conflict"><p>The authors declare that there are no conflicts of interest present.</p></fn></fn-group></back></article>
