Yes / Seeking efficient solutions to nonlinear boundary value problems is a crucial challenge in the mathematical modelling of many physical phenomena. A well-known example of this is solving the Biharmonic equation relating to numerous problems in fluid and solid mechanics. One must note that, in general, it is challenging to solve such boundary value problems due to the higher-order partial derivatives in the differential operators. An artificial neural network is thought to be an intelligent system that learns by example. Therefore, a well-posed mathematical problem can be solved using such a system. This paper describes a mesh free method based on a suitably crafted deep neural network architecture to solve a class of well-posed nonlinear boundary value problems. We show how a suitable deep neural network architecture can be constructed and trained to satisfy the associated differential operators and the boundary conditions of the nonlinear problem. To show the accuracy of our method, we have tested the solutions arising from our method against known solutions of selected boundary value problems, e.g., comparison of the solution of Biharmonic equation arising from our convolutional neural network subject to the chosen boundary conditions with the corresponding analytical/numerical solutions. Furthermore, we demonstrate the accuracy, efficiency, and applicability of our method by solving the well known thin plate problem and the Navier-Stokes equation.

Le système de Saint Venant est répandu pour modéliser des fluides dont la hauteur est inférieure au domaine d'écoulement. Son écriture nécessite des hypothèses sur le profil de vitesse pour connaître le flux de la quantité de mouvement ainsi que le cisaillement sur le fond. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à un couplage entre un fluide parfait et une couche visqueuse dans l'esprit des couches limites interactives (IBL) introduites en aéronautique. Cette interaction nous permet de proposer un terme de friction en adéquation avec les attentes physiques au regard de la position du maximum local. Une part importante de cette thèse est donc consacrée à la compréhension de la couche visqueuse dans laquelle la recherche du profil de vitesse est cantonnée. Cette étude se décompose en l'écriture des équations de Prandtl puis en l'établissement de l'équation de von Kármán. Cette dernière met en jeu les quantités nécessaires à la définition du flux recherché et est donc un élément clé de la fermeture du système. Des résultats numériques viennent illustrer le modèle obtenu par le couplage entre le fluide parfait et la couche visqueuse. Le dernier chapitre expose deux formulations alternatives obtenues d'un point de vue d'un écoulement d'un fluide parfait dont les conditions sur les bords du domaine sont modifiées, soit par une condition de transpiration définie sur le fond, soit par une modification du domaine enlien avec une topographie apparente. / Shallow Water system is widely used for flows when the depth is smaller than the longitudinal scale. The establishment needs some hypothesis on the velocity profile in order to describe the moment flux and the shear stress on ground. In this thesis, we present a two layer decomposition of the fluid between an ideal fluid and a viscous layer in the spirit of the Interactive Boundary Layer (IBL) introduced in aeronautics. This interaction leads to obtain in our equations a friction term which fits with the physical expectations for the local maximum. So a major part of this work is interested in the comprehension of the viscous layer where the velocity profile is confined. The study is based on the writing of Prandtl equations then the establishment of the von Kármán equation. The last one contains the necessary quantities for a definition of the researched flux. Also this equation is essential for a closure of the system. Some numerical results illustrate the proposed model with the association of ideal fluid ans viscous layer. A last chapter presents two alternatives formulations of the model based on an ideal fluid with modified boundary conditions. The first one keeps the same domain but has a transpiration boundary.