Physics-informed neural networks (PINNs) have shown to be an effective tool for solving forward and inverse problems of partial differential equations (PDEs). PINNs embed the PDEs into the loss of the neural network, and this PDE loss is evaluated at a set of scattered residual points. The distribution of these points are highly important to the performance of PINNs. However, in the existing studies on PINNs, only a few simple residual point sampling methods have mainly been used. Here, we present a comprehensive study of two categories of sampling: non-adaptive uniform sampling and adaptive nonuniform sampling. We consider six uniform sampling, including (1) equispaced uniform grid, (2) uniformly random sampling, (3) Latin hypercube sampling, (4) Halton sequence, (5) Hammersley sequence, and (6) Sobol sequence. We also consider a resampling strategy for uniform sampling. To improve the sampling efficiency and the accuracy of PINNs, we propose two new residual-based adaptive sampling methods: residual-based adaptive distribution (RAD) and residual-based adaptive refinement with distribution (RAR-D), which dynamically improve the distribution of residual points based on the PDE residuals during training. Hence, we have considered a total of 10 different sampling methods, including six non-adaptive uniform sampling, uniform sampling with resampling, two proposed adaptive sampling, and an existing adaptive sampling. We extensively tested the performance of these sampling methods for four forward problems and two inverse problems in many setups. Our numerical results presented in this study are summarized from more than 6000 simulations of PINNs. We show that the proposed adaptive sampling methods of RAD and RAR-D significantly improve the accuracy of PINNs with fewer residual points. The results obtained in this study can also be used as a practical guideline in choosing sampling methods.


翻译:物理知情神经网络(PINNs)显示,这是解决部分差异方程(PDEs)前方和反面问题的有效工具。 PINNs将PDEs嵌入神经网络损失中,而PDE损失是在一系列分散的残余点进行评估的。这些点的分布对于PINNs的表现非常重要。然而,在对PINNs的现有研究中,只使用了几个简单的残余点取样方法。在这里,我们提出了对两类抽样的模拟研究:非适应性统一抽样和适应性非统一抽样。我们考虑六种统一数字抽样,包括:(1) 等式统一电网,(2) 统一抽样,(3) 拉丁超立方体取样,(4) 歇顿序列,(5) 汉默斯利序列和(6) Sobol 序列。我们还考虑为统一取样工作制定一个重新标定的战略。为了提高PINNs的取样效率和准确度,我们提出了两种新的基于残余的适应性取样方法:基于残余的适应性分布(RAD)和基于残余的调整性改进(RA-D),我们还在两次的抽样研究中大幅改进了我们目前使用的对等定定的抽样方法,在两次的抽样研究中采用了一种不同的方法。

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