Physics-Informed Neural Networks (PINNs) have emerged recently as a promising application of deep neural networks to the numerical solution of nonlinear partial differential equations (PDEs). However, the original PINN algorithm is known to suffer from stability and accuracy problems in cases where the solution has sharp spatio-temporal transitions. These stiff PDEs require an unreasonably large number of collocation points to be solved accurately. It has been recognized that adaptive procedures are needed to force the neural network to fit accurately the stubborn spots in the solution of stiff PDEs. To accomplish this, previous approaches have used fixed weights hard-coded over regions of the solution deemed to be important. In this paper, we propose a fundamentally new method to train PINNs adaptively, where the adaptation weights are fully trainable, so the neural network learns by itself which regions of the solution are difficult and is forced to focus on them, which is reminiscent of soft multiplicative-mask attention mechanism used in computer vision. The basic idea behind these Self-Adaptive PINNs is to make the weights increase where the corresponding loss is higher, which is accomplished by training the network to simultaneously minimize the losses and maximize the weights, i.e., to find a saddle point in the cost surface. We show that this is formally equivalent to solving a PDE-constrained optimization problem using a penalty-based method, though in a way where the monotonically-nondecreasing penalty coefficients are trainable. Numerical experiments with an Allen-Cahn stiff PDE, the Self-Adaptive PINN outperformed other state-of-the-art PINN algorithms in L2 error by a wide margin, while using a smaller number of training epochs. An Appendix contains additional results with Burger's and Helmholtz PDEs, which confirmed the trends observed in the Allen-Cahn experiments.


翻译:物理进化的神经网络(PINNs)最近作为极好的深度神经网络应用而出现,这是对非线性部分差异方程式(PDCs)数字解决方案的一种有希望的运用。然而,已知最初的PINN算法在解决方案出现急剧的时空转型的情况下会遇到稳定性和准确性问题。这些硬性神经网络需要大量不合理的合用点才能准确解决。人们认识到,需要适应程序来迫使神经网络准确匹配硬性PDES解决方案的顽固点。为了实现这一点,以前的方法在认为重要的解决方案区域中使用了固定的重力硬编码。在本文中,我们提出了一种根本的新方法来训练PINNs的稳定性和准确性问题,在轨迹中,在OrmalC中,在OrmalCs 中,在Oral-ral-ral-ral-ral-ral-ral-ral-ral-ral-ral-ral-ral-ral-ral-ral-ral-ral-ral-ral-ral-ral-ral-ral-l-ral-ral-ral-ral-l-l-ral-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l

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