Inverse problems governed by partial differential equations (PDEs) are central to computational mechanics and are commonly solved by adjoint-based optimization, while physics-informed neural networks (PINNs) have emerged as a flexible alternative. Their relative performance remains difficult to assess because the two approaches are often compared under different formulations, parameterizations, optimizers, and regularization choices. We present a fair comparison of adjoint optimization and PINNs for PDE-constrained inverse problems. From a common abstract formulation, we instantiate both methods on identical domains, governing equations, observation models, and regularization terms, while matching the optimizer, unknown parameterization, and arithmetic precision wherever applicable. The benchmarks include unsteady Burgers, noisy Darcy permeability inversion, three-dimensional Allen--Cahn reaction identification, and unsteady Navier--Stokes viscosity identification. The results show that the representation of the unknown largely determines the preferred method: grid-based fields favor the discrete adjoint, whereas neural representations are native to PINNs and relevant for closure and constitutive modeling. For time-dependent problems, adjoint inversion can be dominated by trajectory storage and differentiation, while PINNs provide satisfactory reconstructions at lower cost. A PINN-warm-started adjoint strategy then recovers adjoint-level accuracy at substantially reduced cost.


翻译:受偏微分方程(PDE)约束的反问题是计算力学的核心问题,通常通过伴随方法进行优化求解,而物理信息神经网络(PINNs)作为一种灵活的替代方案逐渐兴起。由于这两种方法通常在不同的公式化、参数化、优化器和正则化选择下进行比较,其相对性能难以评估。我们针对PDE约束反问题,对伴随优化和PINNs进行了公平的比较。基于共同的抽象公式,我们在相同的域、控制方程、观测模型和正则化项上实例化两种方法,并在适用情况下匹配优化器、未知参数化和算术精度。基准测试包括非定常Burgers方程、含噪声的Darcy渗透率反演、三维Allen-Cahn反应项识别以及非定常Navier-Stokes粘性识别。结果表明,未知量的表示很大程度上决定了优选方法:基于网格的场更适合离散伴随方法,而神经网络表示则是PINNs的原生形式,适用于封闭模型和本构模型。对于时间相关问题,伴随反演常因轨迹存储和微分计算而开销巨大,而PINNs能以较低成本提供满意的重建结果。采用PINNs热启动的伴随策略可大幅降低计算成本,同时恢复伴随级别的精度。

0
下载
关闭预览

相关内容

神经网络(Neural Networks)是世界上三个最古老的神经建模学会的档案期刊:国际神经网络学会(INNS)、欧洲神经网络学会(ENNS)和日本神经网络学会(JNNS)。神经网络提供了一个论坛,以发展和培育一个国际社会的学者和实践者感兴趣的所有方面的神经网络和相关方法的计算智能。神经网络欢迎高质量论文的提交,有助于全面的神经网络研究,从行为和大脑建模,学习算法,通过数学和计算分析,系统的工程和技术应用,大量使用神经网络的概念和技术。这一独特而广泛的范围促进了生物和技术研究之间的思想交流,并有助于促进对生物启发的计算智能感兴趣的跨学科社区的发展。因此,神经网络编委会代表的专家领域包括心理学,神经生物学,计算机科学,工程,数学,物理。该杂志发表文章、信件和评论以及给编辑的信件、社论、时事、软件调查和专利信息。文章发表在五个部分之一:认知科学,神经科学,学习系统,数学和计算分析、工程和应用。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/nn/
【CMU博士论文】用于物理模拟的高效深度学习模型
专知会员服务
31+阅读 · 2025年8月24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
基于神经网络的偏微分方程求解方法研究综述
专知会员服务
72+阅读 · 2022年12月7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
基于模型的强化学习综述
专知
42+阅读 · 2022年7月13日
【AAAI2021】对比聚类,Contrastive Clustering
专知
26+阅读 · 2021年1月30日
神经网络常微分方程 (Neural ODEs) 解析
AI科技评论
42+阅读 · 2019年8月9日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+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
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
1+阅读 · 今天14:45
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
4+阅读 · 今天13:50
从燃煤战舰到算法战争:水面指挥的永恒要求
专知会员服务
3+阅读 · 今天13:33
相关基金
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+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
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