In this paper, we propose a refinement strategy to the well-known Physics-Informed Neural Networks (PINNs) for solving partial differential equations (PDEs) based on the concept of Optimal Transport (OT). Conventional black-box PINNs solvers have been found to suffer from a host of issues: spectral bias in fully-connected architectures, unstable gradient pathologies, as well as difficulties with convergence and accuracy. Current network training strategies are agnostic to dimension sizes and rely on the availability of powerful computing resources to optimize through a large number of collocation points. This is particularly challenging when studying stochastic dynamical systems with the Fokker-Planck-Kolmogorov Equation (FPKE), a second-order PDE which is typically solved in high-dimensional state space. While we focus exclusively on the stationary form of the FPKE, positivity and normalization constraints on its solution make it all the more unfavorable to solve directly using standard PINNs approaches. To mitigate the above challenges, we present a novel training strategy for solving the FPKE using OT-based sampling to supplement the existing PINNs framework. It is an iterative approach that induces a network trained on a small dataset to add samples to its training dataset from regions where it nominally makes the most error. The new samples are found by solving a linear programming problem at every iteration. The paper is complemented by an experimental evaluation of the proposed method showing its applicability on a variety of stochastic systems with nonlinear dynamics.


翻译:在本文中,我们建议对众所周知的物理化神经网络(PINNs)的完善战略,以便根据最佳运输(OT)概念解决部分差异方程(PDEs ) 。 常规黑箱 PINNs 解答器受到许多问题的困扰: 完全连接的建筑中的光谱偏差、 不稳定的梯度病理以及趋同和准确性方面的困难。 当前的网络培训战略对维度大小是不可知的, 并依靠强大的计算资源来通过大量合用点优化。 在与Fokker- Planck- Kolmogorov Equation (FPKE) 一起研究随机性动态系统时, 这一点尤其具有挑战性。 常规黑箱 PKE 通常在高维度空间中解答。 虽然我们专门关注FPKE 的固定形式, 其解决方案的假设性和正常化制约使得直接使用标准的 PINNs 方法解决所有问题。 为了减轻上述挑战,我们提出了一个创新的培训策略, 用于解决FPKED-KE的不透明性动态系统, 将一个经过训练的模型转化为一个模拟的模型到一个模拟的模型到一个测试区域。

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