Solving time-dependent Partial Differential Equations (PDEs) is one of the most critical problems in computational science. While Physics-Informed Neural Networks (PINNs) offer a promising framework for approximating PDE solutions, their accuracy and training speed are limited by two core barriers: gradient-descent-based iterative optimization over complex loss landscapes and non-causal treatment of time as an extra spatial dimension. We present Frozen-PINN, a novel PINN based on the principle of space-time separation that leverages random features instead of training with gradient descent, and incorporates temporal causality by construction. On eight PDE benchmarks, including challenges such as extreme advection speeds, shocks, and high dimensionality, Frozen-PINNs achieve superior training efficiency and accuracy over state-of-the-art PINNs, often by several orders of magnitude. Our work addresses longstanding training and accuracy bottlenecks of PINNs, delivering quickly trainable, highly accurate, and inherently causal PDE solvers, a combination that prior methods could not realize. Our approach challenges the reliance of PINNs on stochastic gradient-descent-based methods and specialized hardware, leading to a paradigm shift in PINN training and providing a challenging benchmark for the community.


翻译:求解时间相关偏微分方程是计算科学中最关键的问题之一。尽管物理信息神经网络(PINNs)为近似偏微分方程解提供了有前景的框架,但其精度和训练速度受到两大核心障碍的限制:基于梯度下降的迭代优化处理复杂损失景观,以及将时间视为额外空间维度的非因果处理。我们提出Frozen-PINN,一种基于时空分离原理的新型PINN,它利用随机特征替代梯度下降训练,并通过构造方式融入时间因果性。在八个偏微分方程基准测试中,包括极端对流速度、激波和高维挑战,Frozen-PINNs在训练效率和精度上均优于最先进的PINNs,通常提升数个数量级。我们的工作解决了PINNs长期存在的训练与精度瓶颈,提供了可快速训练、高精度且内在因果的偏微分方程求解器,这是先前方法无法同时实现的。我们的方法挑战了PINNs对基于随机梯度下降方法和专用硬件的依赖,推动了PINN训练范式转变,并为学界提供了具有挑战性的基准。

0
下载
关闭预览

相关内容

从PINNs到PIKANs:物理信息机器学习的最新进展
专知会员服务
43+阅读 · 2024年10月27日
【ETHZ博士论文】深度学习在科学计算中的应用,181页pdf
专知会员服务
57+阅读 · 2023年12月15日
【清华大学】图随机神经网络,Graph Random Neural Networks
专知会员服务
156+阅读 · 2020年5月26日
【GNN】深度学习之上,图神经网络(GNN )崛起
产业智能官
16+阅读 · 2019年8月15日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
12+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
ICML 2026 | CFPO:用反事实策略优化提升多模态推理
专知会员服务
1+阅读 · 今天14:45
综述 | 世界动作模型:少做梦,多行动
专知会员服务
1+阅读 · 今天14:43
美以伊冲突:无人机与人工智能的运用
专知会员服务
3+阅读 · 今天14:31
《特种部队在透明战场中的生存力》最新报告
专知会员服务
2+阅读 · 今天14:11
《人工智能生成的零日漏洞:对未来作战的影响》
综述 | 3D场景图:开放挑战与未来方向
专知会员服务
8+阅读 · 6月22日
21世纪的无人机战争
专知会员服务
4+阅读 · 6月22日
《量子技术的军事任务技术适配与利用》
专知会员服务
5+阅读 · 6月22日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
12+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员