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Extended Physics-Informed Neural Networks (XPINNs): A Generalized Space-Time Domain Decomposition Based Deep Learning Framework for Nonlinear Partial Differential Equations

非线性系统 偏微分方程 计算机科学 人工神经网络 领域(数学分析) 时域 应用数学 区域分解方法 物理 人工智能 数学 数学分析 量子力学 有限元法 计算机视觉 热力学
作者
Ameya D. Jagtap,George Em Karniadakis
出处
期刊:Communications in Computational Physics [Global Science Press]
卷期号:28 (5): 2002-2041 被引量:775
标识
DOI:10.4208/cicp.oa-2020-0164
摘要

Here we propose a generalized space-time domain decomposition approach for the physics-informed neural networks (PINNs) to solve nonlinear partial differential equations (PDEs) on arbitrary complex-geometry domains. The proposed framework, named eXtended PINNs ( X P I N N s ), further pushes the boundaries of both PINNs as well as conservative PINNs (cPINNs), which is a recently proposed domain decomposition approach in the PINN framework tailored to conservation laws. Compared to PINN, the XPINN method has large representation and parallelization capacity due to the inherent property of deployment of multiple neural networks in the smaller subdomains. Unlike cPINN, XPINN can be extended to any type of PDEs. Moreover, the domain can be decomposed in any arbitrary way (in space and time), which is not possible in cPINN. Thus, XPINN offers both space and time parallelization, thereby reducing the training cost more effectively. In each subdomain, a separate neural network is employed with optimally selected hyperparameters, e.g., depth/width of the network, number and location of residual points, activation function, optimization method, etc. A deep network can be employed in a subdomain with complex solution, whereas a shallow neural network can be used in a subdomain with relatively simple and smooth solutions. We demonstrate the versatility of XPINN by solving both forward and inverse PDE problems, ranging from one-dimensional to three-dimensional problems, from time-dependent to time-independent problems, and from continuous to discontinuous problems, which clearly shows that the XPINN method is promising in many practical problems. The proposed XPINN method is the generalization of PINN and cPINN methods, both in terms of applicability as well as domain decomposition approach, which efficiently lends itself to parallelized computation. The XPINN code is available on h t t p s : / / g i t h u b . c o m / A m e y a J a g t a p / X P I N N s .
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