Physics-informed neural networks (PINNs) have demonstrated promise in solving forward and inverse problems involving partial differential equations. Despite recent progress on expanding the class of problems that can be tackled by PINNs, most of existing use-cases involve simple geometric domains. To date, there is no clear way to inform PINNs about the topology of the domain where the problem is being solved. In this work, we propose a novel positional encoding mechanism for PINNs based on the eigenfunctions of the Laplace-Beltrami operator. This technique allows to create an input space for the neural network that represents the geometry of a given object. We approximate the eigenfunctions as well as the operators involved in the partial differential equations with finite elements. We extensively test and compare the proposed methodology against traditional PINNs in complex shapes, such as a coil, a heat sink and a bunny, with different physics, such as the Eikonal equation and heat transfer. We also study the sensitivity of our method to the number of eigenfunctions used, as well as the discretization used for the eigenfunctions and the underlying operators. Our results show excellent agreement with the ground truth data in cases where traditional PINNs fail to produce a meaningful solution. We envision this new technique will expand the effectiveness of PINNs to more realistic applications.


翻译:物理知情神经网络(PINNs)在解决涉及部分差异方程式的前方和反面问题方面显示了希望。尽管最近在扩大可由PINNs处理的问题类别方面取得了进展,但大多数现有使用案例都涉及简单的几何域。迄今为止,还没有明确的方法向PINNs通报正在解决问题的领域地形。在这项工作中,我们提议根据Laplace-Beltrami操作员的机能,为PINNs建立一个新颖的位置编码机制。这一技术可以为反映特定对象几何测量的神经网络创造一个输入空间。我们接近了机能以及部分差异方程式中涉及的操作者。我们广泛测试并比较了针对复杂形状的传统 PINNs的拟议方法,例如骨架、热槽和兔子,以及不同的物理学,例如Eikonal 方程式和热传输。我们还研究了我们所使用的方法对所使用机能功能数目的敏感度,并研究了用于实际应用的神经元元元元元的神经元元和操作者们所应用的绝新解决方案。我们用来展示的离心操作者们的解决方案。

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