Physics-informed learning of governing equations from scarce data

物理系统 稳健性(进化) 嵌入 计算机科学 人工神经网络 偏微分方程 非线性系统 复杂系统 不确定度量化 代表(政治) 理论计算机科学 人工智能 机器学习 数学 物理 量子力学 生物化学 政治 基因 数学分析 政治学 化学 法学
作者
Zhao Chen,Yang Liu,Hao Sun
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:12 (1) 被引量:340
标识
DOI:10.1038/s41467-021-26434-1
摘要

Harnessing data to discover the underlying governing laws or equations that describe the behavior of complex physical systems can significantly advance our modeling, simulation and understanding of such systems in various science and engineering disciplines. This work introduces a novel approach called physics-informed neural network with sparse regression to discover governing partial differential equations from scarce and noisy data for nonlinear spatiotemporal systems. In particular, this discovery approach seamlessly integrates the strengths of deep neural networks for rich representation learning, physics embedding, automatic differentiation and sparse regression to approximate the solution of system variables, compute essential derivatives, as well as identify the key derivative terms and parameters that form the structure and explicit expression of the equations. The efficacy and robustness of this method are demonstrated, both numerically and experimentally, on discovering a variety of partial differential equation systems with different levels of data scarcity and noise accounting for different initial/boundary conditions. The resulting computational framework shows the potential for closed-form model discovery in practical applications where large and accurate datasets are intractable to capture.
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