Partial differential equations play a fundamental role in the mathematical modelling of many processes and systems in physical, biological and other sciences. To simulate such processes and systems, the solutions of PDEs often need to be approximated numerically. The finite element method, for instance, is a usual standard methodology to do so. The recent success of deep neural networks at various approximation tasks has motivated their use in the numerical solution of PDEs. These so-called physics-informed neural networks and their variants have shown to be able to successfully approximate a large range of partial differential equations. So far, physics-informed neural networks and the finite element method have mainly been studied in isolation of each other. In this work, we compare the methodologies in a systematic computational study. Indeed, we employ both methods to numerically solve various linear and nonlinear partial differential equations: Poisson in 1D, 2D, and 3D, Allen-Cahn in 1D, semilinear Schr\"odinger in 1D and 2D. We then compare computational costs and approximation accuracies. In terms of solution time and accuracy, physics-informed neural networks have not been able to outperform the finite element method in our study. In some experiments, they were faster at evaluating the solved PDE.


翻译:部分偏差方程式在物理、生物和其他科学的许多过程和系统的数学建模中起着根本作用。模拟这些过程和系统时,往往需要用数字来比较PDE的解决方案。例如,有限元素方法是一种通常的标准方法。深神经网络在各种近似任务中最近的成功促使它们用于PDE的数值解决方案。这些所谓的物理知情神经网络及其变体已经证明能够成功地接近大量局部差异方程式。迄今为止,物理学知情神经网络和有限元素方法主要在相互隔离的情况下研究。在这项工作中,我们比较系统计算研究的方法。事实上,我们采用两种方法从数字上解决各种线性和非线性部分差异方程式:Poisson in 1D, 2D, 3D, Allen-Cahn in 1D, 半线性Schr\" od. 和 2D. 我们然后比较计算成本和近似理解度方法。在计算时间和精确度方面,物理学知情性神经网络无法在一定的模型中评估。

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