Multilevel domain decomposition-based architectures for physics-informed neural networks

区域分解方法 人工神经网络 分解 领域(数学分析) 计算机科学 计算科学 物理 人工智能 数学 有限元法 工程类 数学分析 结构工程 生物 生态学
作者
Victorita Dolean,Alexander Heinlein,Siddhartha Mishra,Ben Moseley
出处
期刊:Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering [Elsevier BV]
卷期号:429: 117116-117116 被引量:78
标识
DOI:10.1016/j.cma.2024.117116
摘要

Physics-informed neural networks (PINNs) are a powerful approach for solving problems involving differential equations, yet they often struggle to solve problems with high frequency and/or multi-scale solutions. Finite basis physics-informed neural networks (FBPINNs) improve the performance of PINNs in this regime by combining them with an overlapping domain decomposition approach. In this work, FBPINNs are extended by adding multiple levels of domain decompositions to their solution ansatz, inspired by classical multilevel Schwarz domain decomposition methods (DDMs). Analogous to typical tests for classical DDMs, we assess how the accuracy of PINNs, FBPINNs and multilevel FBPINNs scale with respect to computational effort and solution complexity by carrying out strong and weak scaling tests. Our numerical results show that the proposed multilevel FBPINNs consistently and significantly outperform PINNs across a range of problems with high frequency and multi-scale solutions. Furthermore, as expected in classical DDMs, we show that multilevel FBPINNs improve the accuracy of FBPINNs when using large numbers of subdomains by aiding global communication between subdomains.
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