Physics-Informed Neural Operator for Learning Partial Differential Equations

操作员(生物学) 偏微分方程 人工神经网络 离散化 微分算子 计算机科学 忠诚 算法 数学 人工智能 数学分析 生物化学 化学 抑制因子 转录因子 基因 电信
作者
Zongyi Li,Hongkai Zheng,Nikola Kovachki,David Jin,Haoxuan Chen,Burigede Liu,Kamyar Azizzadenesheli,Anima Anandkumar
出处
期刊:Cornell University - arXiv [Cornell University]
被引量:158
标识
DOI:10.48550/arxiv.2111.03794
摘要

In this paper, we propose physics-informed neural operators (PINO) that combine training data and physics constraints to learn the solution operator of a given family of parametric Partial Differential Equations (PDE). PINO is the first hybrid approach incorporating data and PDE constraints at different resolutions to learn the operator. Specifically, in PINO, we combine coarse-resolution training data with PDE constraints imposed at a higher resolution. The resulting PINO model can accurately approximate the ground-truth solution operator for many popular PDE families and shows no degradation in accuracy even under zero-shot super-resolution, i.e., being able to predict beyond the resolution of training data. PINO uses the Fourier neural operator (FNO) framework that is guaranteed to be a universal approximator for any continuous operator and discretization-convergent in the limit of mesh refinement. By adding PDE constraints to FNO at a higher resolution, we obtain a high-fidelity reconstruction of the ground-truth operator. Moreover, PINO succeeds in settings where no training data is available and only PDE constraints are imposed, while previous approaches, such as the Physics-Informed Neural Network (PINN), fail due to optimization challenges, e.g., in multi-scale dynamic systems such as Kolmogorov flows.
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