Traditional, numerical discretization-based solvers of partial differential equations (PDEs) are fundamentally agnostic to domains, boundary conditions and coefficients. In contrast, machine learnt solvers have a limited generalizability across these elements of boundary value problems. This is strongly true in the case of surrogate models that are typically trained on direct numerical simulations of PDEs applied to one specific boundary value problem. In a departure from this direct approach, the label-free machine learning of solvers is centered on a loss function that incorporates the PDE and boundary conditions in residual form. However, their generalization across boundary conditions is limited and they remain strongly domain-dependent. Here, we present a framework that generalizes across domains, boundary conditions and coefficients simultaneously with learning the PDE in weak form. Our work explores the ability of simple, convolutional neural network (CNN)-based encoder-decoder architectures to learn to solve a PDE in greater generality than its restriction to a particular boundary value problem. In this first communication, we consider the elliptic PDEs of Fickean diffusion, linear and nonlinear elasticity. Importantly, the learning happens independently of any labelled field data from either experiments or direct numerical solutions. Extensive results for these problem classes demonstrate the framework's ability to learn PDE solvers that generalize across hundreds of thousands of domains, boundary conditions and coefficients, including extrapolation beyond the learning regime. Once trained, the machine learning solvers are orders of magnitude faster than discretization-based solvers. We place our work in the context of recent continuous operator learning frameworks, and note extensions to transfer learning, active learning and reinforcement learning.


翻译:传统的基于数值离散的偏微分方程求解器在本质上与区域、边界条件和系数无关。相比之下,机器学习求解器在这些边值问题要素上的泛化能力有限。这一点在代理模型中尤为明显,这类模型通常针对特定边值问题的偏微分方程直接数值模拟进行训练。与这种直接方法不同,无标签机器学习求解器的核心在于将偏微分方程及其边界条件以残差形式融入损失函数。然而,这类方法在边界条件上的泛化能力有限,且仍然强烈依赖于区域。在此,我们提出一个能够同时跨区域、边界条件和系数进行泛化的框架,并以弱形式学习偏微分方程。本研究探讨了基于简单卷积神经网络编码器-解码器架构学习求解偏微分方程的能力,使其具备超越特定边值问题的更广泛泛化性。在本次初步报告中,我们考虑了菲克扩散、线性和非线性弹性等椭圆型偏微分方程。重要的是,学习过程独立于任何来自实验或直接数值解的带标签场数据。针对这些问题类别的广泛结果表明,该框架能够学习跨数十万种区域、边界条件和系数进行泛化的偏微分方程求解器,甚至包括超出学习范围的推断。一旦训练完成,机器学习求解器的速度比基于离散化的求解器快数个数量级。我们将本工作置于近期连续算子学习框架的背景下,并指出了其向迁移学习、主动学习和强化学习的扩展方向。

0
下载
关闭预览

相关内容

专知会员服务
162+阅读 · 2020年1月16日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
78+阅读 · 2019年10月10日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
无监督元学习表示学习
CreateAMind
27+阅读 · 2019年1月4日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
vae 相关论文 表示学习 1
CreateAMind
12+阅读 · 2018年9月6日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8日
国家自然科学基金
8+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+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
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Arxiv
15+阅读 · 2022年6月14日
Arxiv
13+阅读 · 2021年5月25日
VIP会员
最新内容
消耗优势:美军的“精确规模化”概念
专知会员服务
5+阅读 · 6月15日
《离线语言支持系统:面向空战战术决策》
专知会员服务
6+阅读 · 6月15日
俄乌战场地面机器人如何改写战争规则
专知会员服务
9+阅读 · 6月14日
《无人水面艇文献综述与结构设计》135页
专知会员服务
14+阅读 · 6月13日
相关资讯
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
无监督元学习表示学习
CreateAMind
27+阅读 · 2019年1月4日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
vae 相关论文 表示学习 1
CreateAMind
12+阅读 · 2018年9月6日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8日
相关基金
国家自然科学基金
8+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+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
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员