In this paper, we introduce a new approach based on distance fields to exactly impose boundary conditions in physics-informed deep neural networks. The challenges in satisfying Dirichlet boundary conditions in meshfree and particle methods are well-known. This issue is also pertinent in the development of physics informed neural networks (PINN) for the solution of partial differential equations. We introduce geometry-aware trial functions in artifical neural networks to improve the training in deep learning for partial differential equations. To this end, we use concepts from constructive solid geometry (R-functions) and generalized barycentric coordinates (mean value potential fields) to construct $\phi$, an approximate distance function to the boundary of a domain. To exactly impose homogeneous Dirichlet boundary conditions, the trial function is taken as $\phi$ multiplied by the PINN approximation, and its generalization via transfinite interpolation is used to a priori satisfy inhomogeneous Dirichlet (essential), Neumann (natural), and Robin boundary conditions on complex geometries. In doing so, we eliminate modeling error associated with the satisfaction of boundary conditions in a collocation method and ensure that kinematic admissibility is met pointwise in a Ritz method. We present numerical solutions for linear and nonlinear boundary-value problems over domains with affine and curved boundaries. Benchmark problems in 1D for linear elasticity, advection-diffusion, and beam bending; and in 2D for the Poisson equation, biharmonic equation, and the nonlinear Eikonal equation are considered. The approach extends to higher dimensions, and we showcase its use by solving a Poisson problem with homogeneous Dirichlet boundary conditions over the 4D hypercube. This study provides a pathway for meshfree analysis to be conducted on the exact geometry without domain discretization.


翻译:在本文中, 我们引入基于距离的新方法, 在物理知情的深神经网络中设置边界条件。 在满足 Drichlet 边界条件方面, 在网状层和粒子方法中, 挑战是众所周知的。 这个问题还关系到物理知情神经网络( PINN) 的开发, 以解决部分差异方程式。 我们在人工神经网络中引入了几何认知测试功能, 以改善对部分差异方程的深层次学习培训。 为此, 我们使用来自建设性固体测深( R- 功能) 和通用的巴里中心坐标( 平均值潜在字段) 的概念来构建 $\phi$, 一个接近网状平面的直径边界网络( PINNN) 。 我们使用直径直径直径的直径测试功能, 直径的直径直径直径直线直径直径直径直径直径直径直路径直线路径直路径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直, 直直直至直直直直直直直直直直直直直直直直直直直至直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直至直直直直直直至直直直直直直至直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直至直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直至直至直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直直

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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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