The widespread use of neural networks across different scientific domains often involves constraining them to satisfy certain symmetries, conservation laws, or other domain knowledge. Such constraints are often imposed as soft penalties during model training and effectively act as domain-specific regularizers of the empirical risk loss. Physics-informed neural networks is an example of this philosophy in which the outputs of deep neural networks are constrained to approximately satisfy a given set of partial differential equations. In this work we review recent advances in scientific machine learning with a specific focus on the effectiveness of physics-informed neural networks in predicting outcomes of physical systems and discovering hidden physics from noisy data. We will also identify and analyze a fundamental mode of failure of such approaches that is related to numerical stiffness leading to unbalanced back-propagated gradients during model training. To address this limitation we present a learning rate annealing algorithm that utilizes gradient statistics during model training to balance the interplay between different terms in composite loss functions. We also propose a novel neural network architecture that is more resilient to such gradient pathologies. Taken together, our developments provide new insights into the training of constrained neural networks and consistently improve the predictive accuracy of physics-informed neural networks by a factor of 50-100x across a range of problems in computational physics. All code and data accompanying this manuscript are publicly available at \url{https://github.com/PredictiveIntelligenceLab/GradientPathologiesPINNs}.


翻译:在不同科学领域广泛使用神经网络往往会限制这些网络满足某些对称性、保护法或其他领域知识,这些限制往往在示范培训期间作为软性惩罚而施加,在示范培训期间作为特定领域的经验风险损失正规化者而有效发挥作用。物理知情神经网络就是这种哲学的一个例子,在这种理论中,深层神经网络的产出受到限制,无法大致满足一套特定的部分差异方程。在这项工作中,我们审查科学机器学习的最新进展,特别侧重于物理知情神经网络在预测物理系统结果和从噪音数据中发现隐蔽物理学方面的有效性。我们还将查明和分析这类方法的失败基本模式,这些方法与数字僵硬有关,导致模型培训期间偏差的反相异梯度。为了解决这一局限性,我们提出了一种学习率自动算法,在模型培训期间利用梯度统计来平衡综合损失功能中不同术语之间的相互作用。我们还提议建立一个新的神经网络结构,更能适应这种渐渐变的病理学。加在一起,我们的发展为限制的神经网络培训提供了新的洞测的神经/神经网络,并不断改进公共物理学结构的精确度网络。

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神经网络(Neural Networks)是世界上三个最古老的神经建模学会的档案期刊:国际神经网络学会(INNS)、欧洲神经网络学会(ENNS)和日本神经网络学会(JNNS)。神经网络提供了一个论坛,以发展和培育一个国际社会的学者和实践者感兴趣的所有方面的神经网络和相关方法的计算智能。神经网络欢迎高质量论文的提交,有助于全面的神经网络研究,从行为和大脑建模,学习算法,通过数学和计算分析,系统的工程和技术应用,大量使用神经网络的概念和技术。这一独特而广泛的范围促进了生物和技术研究之间的思想交流,并有助于促进对生物启发的计算智能感兴趣的跨学科社区的发展。因此,神经网络编委会代表的专家领域包括心理学,神经生物学,计算机科学,工程,数学,物理。该杂志发表文章、信件和评论以及给编辑的信件、社论、时事、软件调查和专利信息。文章发表在五个部分之一:认知科学,神经科学,学习系统,数学和计算分析、工程和应用。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/nn/
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