计算物理 ›› 2025, Vol. 42 ›› Issue (2): 146-159.DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8892
收稿日期:
2024-01-11
出版日期:
2025-03-25
发布日期:
2025-04-08
通讯作者:
谷同祥
作者简介:
张延庆, 硕士研究生, 研究方向为深度学习与科学计算, E-mail: zhangyanqing21@gscaep.ac.cn
基金资助:
Yanqing ZHANG1(), Tongxiang GU2,*(
)
Received:
2024-01-11
Online:
2025-03-25
Published:
2025-04-08
Contact:
Tongxiang GU
摘要:
物理信息神经网络(PINN)为偏微分方程正反问题数值求解开创了一条具有广阔应用前景的新途径。本文聚焦于扩散方程的扩散系数反演问题。针对固定系数、各向异性系数、空间依赖系数、时空依赖系数以及非线性扩散系数等问题展开了系统研究, 提出了求解各类问题所需的网络结构及求解方法。数值实验表明, PINN方法在求解扩散系数反问题时只需较少的数据即可反演出较为精确的未知系数, 并在一定噪声水平下表现出较强的稳健性。
张延庆, 谷同祥. 基于深度学习的扩散方程扩散系数反问题求解[J]. 计算物理, 2025, 42(2): 146-159.
Yanqing ZHANG, Tongxiang GU. Deep Learning Method for Solving Inverse Problem of Diffusion Coefficients for Diffusion Equation[J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2025, 42(2): 146-159.
结果 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
6.246 | 6.236 | 6.374 | 5.866 | |
0.048 | 0.071 | 1.994 | 6.133 |
表1 PINN方法反演的扩散系数及相对误差
Table 1 Diffusion coefficients and relative errors by PINN method
结果 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
6.246 | 6.236 | 6.374 | 5.866 | |
0.048 | 0.071 | 1.994 | 6.133 |
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
‖e‖2 | 0.115 6 | 0.676 5 | 2.170 | 10.20 |
‖e‖∞ | 0.375 0 | 0.902 6 | 1.579 | 6.889 |
表2 PINN方法预测解的误差
Table 2 Errors in predict solutions by PINN method
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
‖e‖2 | 0.115 6 | 0.676 5 | 2.170 | 10.20 |
‖e‖∞ | 0.375 0 | 0.902 6 | 1.579 | 6.889 |
数据点数 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
N=5 | 0.062 | 0.192 | 0.053 | 1.972 |
N=10 | 0.162 | 0.366 | 2.954 | 1.567 |
N=20 | 0.058 | 0.298 | 0.164 | 2.026 |
N=50 | 0.012 | 0.242 | 0.605 | 0.249 |
N=100 | 0.012 | 0.398 | 0.281 | 3.912 |
表3 PINN方法反演扩散系数在不同数据点数及噪声水平下的相对误差
Table 3 Relative errors of diffusion coefficients by PINN method in different number of data points and noise levels
数据点数 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
N=5 | 0.062 | 0.192 | 0.053 | 1.972 |
N=10 | 0.162 | 0.366 | 2.954 | 1.567 |
N=20 | 0.058 | 0.298 | 0.164 | 2.026 |
N=50 | 0.012 | 0.242 | 0.605 | 0.249 |
N=100 | 0.012 | 0.398 | 0.281 | 3.912 |
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
0.059 | 0.063 | 2.833 | 1.077 | |
1.094 | 1.522 | 22.603 | 14.105 | |
0.136 3 | 7.593 | 6.216 | 19.400 |
表4 PINN方法反演扩散系数Λ1的误差
Table 4 Errors in diffusion coefficients Λ1 by PINN method
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
0.059 | 0.063 | 2.833 | 1.077 | |
1.094 | 1.522 | 22.603 | 14.105 | |
0.136 3 | 7.593 | 6.216 | 19.400 |
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
‖e‖2 | 0.036 89 | 0.214 2 | 1.842 | 1.648 |
‖e‖∞ | 0.058 85 | 0.277 1 | 1.254 | 1.221 |
表5 PINN方法在Λ1参数下方程解的误差
Table 5 Error in predict solutions by PINN method in Λ1
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
‖e‖2 | 0.036 89 | 0.214 2 | 1.842 | 1.648 |
‖e‖∞ | 0.058 85 | 0.277 1 | 1.254 | 1.221 |
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
0.115 | 0.251 | 1.022 | 0.785 | |
1.564 | 7.680 | 25.419 | 21.586 | |
0.025 | 0.204 | 1.312 | 13.617 |
表6 PINN方法反演扩散系数Λ2的相对误差
Table 6 Relative errors in diffusion coefficients Λ2 by PINN method
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
0.115 | 0.251 | 1.022 | 0.785 | |
1.564 | 7.680 | 25.419 | 21.586 | |
0.025 | 0.204 | 1.312 | 13.617 |
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
‖e‖2 | 0.078 35 | 0.326 6 | 1.899 | 2.187 |
‖e‖∞ | 0.112 60 | 0.304 1 | 1.102 | 1.552 |
表7 PINN方法在Λ2参数下方程解的误差
Table 7 Error in predict solutions by PINN method in Λ2
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
‖e‖2 | 0.078 35 | 0.326 6 | 1.899 | 2.187 |
‖e‖∞ | 0.112 60 | 0.304 1 | 1.102 | 1.552 |
图7 (a) t=0.8时刻扩散系数精确值;(b) PINN方法预测的扩散系数; (c) 逐点误差
Fig.7 (a) Exact values of diffusion coefficients at t=0.8; (b) Diffusion coefficients predicted by PINN method; (c) Point-wise error
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
‖e‖2 | 1.249 | 1.245 | 2.662 | 41.04 |
‖e‖∞ | 7.189 | 16.18 | 22.09 | 282.7 |
表8 PINN方法反演扩散系数a(t, x, y)的误差
Table 8 Errors in the inversion of diffusion coefficients a(t, x, y) by PINN method
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
‖e‖2 | 1.249 | 1.245 | 2.662 | 41.04 |
‖e‖∞ | 7.189 | 16.18 | 22.09 | 282.7 |
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
‖e‖2 | 0.204 4 | 0.140 5 | 0.612 6 | 4.451 |
‖e‖∞ | 0.658 7 | 0.289 1 | 0.915 0 | 11.81 |
表9 PINN方法得到预测解的误差
Table 9 Errors in predict solutions by PINN method
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
‖e‖2 | 0.204 4 | 0.140 5 | 0.612 6 | 4.451 |
‖e‖∞ | 0.658 7 | 0.289 1 | 0.915 0 | 11.81 |
图8 (a) 扩散系数精确值; (b) PINN方法预测的扩散系数; (c) 逐点误差
Fig.8 (a)Exact values of diffusion coefficients; (b) Diffusion coefficients predicted by PINN method; (c) Point-wise error
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
‖e‖2 | 0.798 | 4.049 | 9.125 | 32.17 |
‖e‖∞ | 2.188 | 10.88 | 22.68 | 71.21 |
表10 PINN方法反演扩散系数a(x)的误差
Table 10 Errors in the inversion of diffusion coefficients a(x) by PINN method
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
‖e‖2 | 0.798 | 4.049 | 9.125 | 32.17 |
‖e‖∞ | 2.188 | 10.88 | 22.68 | 71.21 |
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
‖e‖2 | 0.071 1 | 0.360 5 | 1.201 | 2.733 |
‖e‖∞ | 0.133 5 | 0.438 8 | 1.324 | 3.991 |
表11 PINN方法得到方程解的误差
Table 11 Errors in predict solutions by PINN method
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
‖e‖2 | 0.071 1 | 0.360 5 | 1.201 | 2.733 |
‖e‖∞ | 0.133 5 | 0.438 8 | 1.324 | 3.991 |
图9 (a) 扩散系数精确值; (b) PINN方法预测的扩散系数; (c) 逐点误差
Fig.9 (a) Exact values of diffusion coefficients; (b) Diffusion coefficients predicted by PINN method; (c) Point-wise error
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
‖e‖2 | 0.347 0 | 0.529 0 | 1.861 | 7.185 |
‖e‖∞ | 0.503 6 | 0.617 5 | 0.259 5 | 8.057 |
表12 PINN方法反演扩散系数a(x)的误差
Table 12 Errors in the inversion of diffusion coefficients a(x) by PINN method
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
‖e‖2 | 0.347 0 | 0.529 0 | 1.861 | 7.185 |
‖e‖∞ | 0.503 6 | 0.617 5 | 0.259 5 | 8.057 |
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
‖e‖2 | 0.110 7 | 0.199 8 | 0.497 8 | 1.638 |
‖e‖∞ | 0.143 0 | 0.153 7 | 0.447 4 | 1.316 |
表13 PINN方法得到方程解的误差
Table 13 Errors in predict solutions by PINN method
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
‖e‖2 | 0.110 7 | 0.199 8 | 0.497 8 | 1.638 |
‖e‖∞ | 0.143 0 | 0.153 7 | 0.447 4 | 1.316 |
图10 (a) 扩散系数精确值; (b) PINN方法预测的扩散系数; (c) 逐点误差
Fig.10 (a) Exact values of diffusion coefficients; (b) Diffusion coefficients predicted by PINN method; (c) Point-wise error
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
‖e‖2 | 1.585 | 2.995 | 11.65 | 26.14 |
‖e‖∞ | 3.176 | 5.971 | 16.07 | 38.16 |
表14 PINN方法反演扩散系数a(u)的误差
Table 14 Errors in inversion of diffusion coefficients a(u) by PINN method
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
‖e‖2 | 1.585 | 2.995 | 11.65 | 26.14 |
‖e‖∞ | 3.176 | 5.971 | 16.07 | 38.16 |
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
‖e‖2 | 0.127 5 | 0.525 2 | 2.650 | 3.614 |
‖e‖∞ | 0.189 7 | 0.814 7 | 4.539 | 7.781 |
表15 PINN方法得到方程解的误差
Table 15 Errors in predict solutions by PINN method
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
‖e‖2 | 0.127 5 | 0.525 2 | 2.650 | 3.614 |
‖e‖∞ | 0.189 7 | 0.814 7 | 4.539 | 7.781 |
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
2.848 | 7.241 | 7.902 | 6.307 | |
2.858 | 1.937 | 1.018 | 5.982 |
表16 PINN方法反演的扩散系数及相对误差
Table 16 Diffusion coefficients and relative errors by PINN method
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
2.848 | 7.241 | 7.902 | 6.307 | |
2.858 | 1.937 | 1.018 | 5.982 |
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
‖e‖2 | 0.078 80 | 0.225 1 | 0.466 9 | 5.636 |
‖e‖∞ | 0.270 4 | 0.674 8 | 2.190 | 2.966 |
表17 PINN方法得到方程解的误差
Table 17 Errors in predict solutions by PINN method
误差 | 噪声水平/% | |||
0 | 1 | 5 | 10 | |
‖e‖2 | 0.078 80 | 0.225 1 | 0.466 9 | 5.636 |
‖e‖∞ | 0.270 4 | 0.674 8 | 2.190 | 2.966 |
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