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Adaptive Weighted Multi-Physics-Informed Neural Network for High-Accuracy Shock Wave Capturing

不连续性分类 人工神经网络 梯度下降 稳健性(进化) 计算机科学 趋同(经济学) 间断(语言学) 嵌入 水准点(测量) 剪裁(形态学) 控制理论(社会学) 反向传播 算法 边界(拓扑) 约束(计算机辅助设计) 理论(学习稳定性) 数学优化 数学 适应性 虚假关系 有界函数 规范化(社会学) 数值稳定性
作者
Shuaibing Ding,Juanmian Lei,Liang Xu,Boqian Zhang,Guoyou Sun,Jian Guo
出处
期刊:International Journal of Computational Methods [World Scientific]
卷期号:23 (03)
标识
DOI:10.1142/s021987622550063x
摘要

In recent years, physics-informed neural network (PINN) has gained attention as a novel approach for solving partial differential equations. By embedding physical constraints, such as conservation laws and boundary conditions, into the loss function, the model’s adaptability to physical problems is enhanced, yielding more precise solutions. However, PINN often produces smooth results, making it challenging to solve problems involving strong discontinuities like shock wave. To improve the accuracy of PINN in capturing shocks, this paper proposes an adaptive weighted multi-physics-informed neural network (AW-MPINN). To address numerical instability and convergence issues caused by gradient imbalance among constraint terms during training, the weights of these terms are dynamically optimized based on gradient variations, enabling the model to flexibly respond to changes and balance loss contributions in discontinuous regions. Additionally, weight coefficients are constrained using gradient clipping to reduce optimization bias caused by weight fluctuations. The proposed AW-MPINN is evaluated on three benchmark problems. Compared to nonadaptive methods, it achieves sharper discontinuity resolution and improved accuracy under limited training data; when tested against existing adaptive approaches, it demonstrates faster convergence and more stable loss balancing, leading to enhanced robustness and shock-capturing capability.
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