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An efficient framework for solving forward and inverse problems of nonlinear partial differential equations via enhanced physics-informed neural network based on adaptive learning

非线性系统 偏微分方程 人工神经网络 物理 反问题 约束(计算机辅助设计) 功能(生物学) 应用数学 反向 深度学习 数学优化 人工智能 计算机科学 数学分析 数学 几何学 量子力学 进化生物学 生物
作者
Yanan Guo,Xiaoqun Cao,Junqiang Song,Hongze Leng,Kecheng Peng
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:35 (10) 被引量:9
标识
DOI:10.1063/5.0168390
摘要

In recent years, the advancement of deep learning has led to the utilization of related technologies to enhance the efficiency and accuracy of scientific computing. Physics-Informed Neural Networks (PINNs) are a type of deep learning method applied to scientific computing, widely used to solve various partial differential equations (PDEs), demonstrating tremendous potential. This study improved upon original PINNs and applied them to forward and inverse problems in the nonlinear science field. In addition to incorporating the constraints of PDEs, the improved PINNs added constraints on gradient information, which further enhanced the physical constraints. Moreover, an adaptive learning method was used to update the weight coefficients of the loss function and dynamically adjust the weight proportion of each constraint term. In the experiment, the improved PINNs were used to numerically simulate localized waves and two-dimensional lid-driven cavity flow described by partial differential equations. Meanwhile, we critically evaluate the accuracy of the prediction results. Furthermore, the improved PINNs were utilized to solve the inverse problems of nonlinear PDEs, where the results showed that even with noisy data, the unknown parameters could be discovered satisfactorily. The study results indicated that the improved PINNs were significantly superior to original PINNs, with shorter training time, increased accuracy in prediction results, and greater potential for application.

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