In this paper, we propose a cusp-capturing physics-informed neural network (PINN) to solve discontinuous-coefficient elliptic interface problems whose solution is continuous but has discontinuous first derivatives on the interface. To find such a solution using neural network representation, we introduce a cusp-enforced level set function as an additional feature input to the network to retain the inherent solution properties; that is, capturing the solution cusps (where the derivatives are discontinuous) sharply. In addition, the proposed neural network has the advantage of being mesh-free, so it can easily handle problems in irregular domains. We train the network using the physics-informed framework in which the loss function comprises the residual of the differential equation together with certain interface and boundary conditions. We conduct a series of numerical experiments to demonstrate the effectiveness of the cusp-capturing technique and the accuracy of the present network model. Numerical results show that even using a one-hidden-layer (shallow) network with a moderate number of neurons and sufficient training data points, the present network model can achieve prediction accuracy comparable with traditional methods. Besides, if the solution is discontinuous across the interface, we can simply incorporate an additional supervised learning task for solution jump approximation into the present network without much difficulty.


翻译:在本文中,我们提出了一种捕捉拐点物理预估神经网络(PINN),用于解决解连续但在界面上具有不连续一阶导数的不连续系数椭圆界面问题。为了使用神经网络表示找到这样的解,我们引入拐点强制的级集函数作为网络的额外特征输入,以保留固有的解性质; 即,精确地捕捉拐点(导数不连续的地方)。此外,所提出的神经网络具有免网格性质,因此可以轻松处理不规则领域的问题。我们使用物理预测框架训练网络,其中损失函数包括微分方程的残差以及某些界面和边界条件。我们进行了一系列数值实验,以展示拐点捕捉技术的有效性和当前网络模型的准确性。数值结果表明,即使使用一个具有适量的神经元和充足的训练数据点的单隐藏层(浅层)网络,当前网络模型也可以实现与传统方法相当的预测精度。此外,如果解在界面上是不连续的,我们可以将一个额外的监督学习任务简单地纳入到当前网络中,用于解跳跃的近似而不需要太多努力。

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