Physics-Informed Neural Network (PINN) has become a commonly used machine learning approach to solve partial differential equations (PDE). But, facing high-dimensional second-order PDE problems, PINN will suffer from severe scalability issues since its loss includes second-order derivatives, the computational cost of which will grow along with the dimension during stacked back-propagation. In this paper, we develop a novel approach that can significantly accelerate the training of Physics-Informed Neural Networks. In particular, we parameterize the PDE solution by the Gaussian smoothed model and show that, derived from Stein's Identity, the second-order derivatives can be efficiently calculated without back-propagation. We further discuss the model capacity and provide variance reduction methods to address key limitations in the derivative estimation. Experimental results show that our proposed method can achieve competitive error compared to standard PINN training but is two orders of magnitude faster.


翻译:物理进化神经网络(PINN)已成为解决部分差异方程式(PDE)的常用机器学习方法。 但是,面对高维二阶PDE问题,PINN将面临严重的可缩缩问题,因为其损失包括二阶衍生物,其计算成本将随着堆叠后反剖面期间的维度而增长。在本文中,我们开发了一种新颖的方法,可以大大加快对物理进化神经网络的培训。特别是,我们用高山平滑的模型对PDE解决方案进行参数化,并显示,根据斯坦氏特性,二阶衍生物可以在不反向调整的情况下有效计算。我们进一步讨论模型能力并提供减少差异的方法,以解决衍生物估计中的关键局限性。实验结果表明,我们提出的方法可以与标准的PINN培训相比实现竞争错误,但速度要快两个级。

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