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Self-adaptive loss balanced Physics-informed neural networks for the incompressible Navier-Stokes equations

初始化 稳健性(进化) 人工神经网络 压缩性 噪音(视频) 计算机科学 功能(生物学) 应用数学 数学 数学优化 物理 人工智能 机械 程序设计语言 化学 图像(数学) 基因 生物 进化生物学 生物化学
作者
Zixue Xiang,Wei Peng,Xiaohu Zheng,Xiaoyu Zhao,Wen Yao
出处
期刊:Cornell University - arXiv 被引量:23
标识
DOI:10.48550/arxiv.2104.06217
摘要

There have been several efforts to Physics-informed neural networks (PINNs) in the solution of the incompressible Navier-Stokes fluid. The loss function in PINNs is a weighted sum of multiple terms, including the mismatch in the observed velocity and pressure data, the boundary and initial constraints, as well as the residuals of the Navier-Stokes equations. In this paper, we observe that the weighted combination of competitive multiple loss functions plays a significant role in training PINNs effectively. We establish Gaussian probabilistic models to define the loss terms, where the noise collection describes the weight parameter for each loss term. We propose a self-adaptive loss function method, which automatically assigns the weights of losses by updating the noise parameters in each epoch based on the maximum likelihood estimation. Subsequently, we employ the self-adaptive loss balanced Physics-informed neural networks (lbPINNs) to solve the incompressible Navier-Stokes equations,\hspace{-1pt} including\hspace{-1pt} two-dimensional\hspace{-1pt} steady Kovasznay flow, two-dimensional unsteady cylinder wake, and three-dimensional unsteady Beltrami flow. Our results suggest that the accuracy of PINNs for effectively simulating complex incompressible flows is improved by adaptively appropriate weights in the loss terms. The outstanding adaptability of lbPINNs is not irrelevant to the initialization choice of noise parameters, which illustrates the robustness. The proposed method can also be employed in other problems where PINNs apply besides fluid problems.
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