PINN解偏微分方程实例4

PINN解偏微分方程实例4

  • 一、正问题
    • 1. Diffusion equation
    • 2. Burgers’ equation
    • 3. Allen–Cahn equation
    • 4. Wave equation
  • 二、反问题
    • 1. Burgers’ equation
    • 3. 部分代码示例

  本文使用 PINN解偏微分方程实例1中展示的代码求解了以四个具体的偏微分方程,包括Diffusion,Burgers, Allen–Cahn和Wave方程,另外重新写了一个求解反问题的代码,以burger方程为例。

一、正问题

1. Diffusion equation

一维扩散方程:
∂ u ∂ t = ∂ 2 u ∂ x 2 + e − t ( − sin ⁡ ( π x ) + π 2 sin ⁡ ( π x ) ) , x ∈ [ − 1 , 1 ] , t ∈ [ 0 , 1 ] u ( x , 0 ) = sin ⁡ ( π x ) u ( − 1 , t ) = u ( 1 , t ) = 0 \begin{array}{l} \frac{\partial u}{\partial t}=\frac{\partial^{2} u}{\partial x^{2}}+e^{-t}\left(-\sin (\pi x)+\pi^{2} \sin (\pi x)\right), \quad x \in[-1,1], t \in[0,1] \\ u(x, 0)=\sin (\pi x) \\ u(-1, t)=u(1, t)=0 \end{array} tu=x22u+et(sin(πx)+π2sin(πx)),x[1,1],t[0,1]u(x,0)=sin(πx)u(1,t)=u(1,t)=0
其中 u u u 是扩散物质的浓度。精确解是 u ( x , t ) = s i n ( π x ) e − t u(x,t)=sin(\pi x)e^{-t} u(x,t)=sin(πx)et 表示。

请添加图片描述

2. Burgers’ equation

Burgers方程的定义为:
∂ u ∂ t + u ∂ u ∂ x = v ∂ 2 u ∂ x 2 , x ∈ [ − 1 , 1 ] , t ∈ [ 0 , 1 ] , u ( x , 0 ) = − sin ⁡ ( π x ) , u ( − 1 , t ) = u ( 1 , t ) = 0 , \begin{array}{l} \frac{\partial u}{\partial t}+u \frac{\partial u}{\partial x}=v \frac{\partial^{2} u}{\partial x^{2}}, \quad x \in[-1,1], t \in[0,1], \\ u(x, 0)=-\sin (\pi x), \\ u(-1, t)=u(1, t)=0, \end{array} tu+uxu=vx22u,x[1,1],t[0,1],u(x,0)=sin(πx),u(1,t)=u(1,t)=0,
其中, u u u 为流速, ν ν ν 为流体的粘度。在本文中, ν ν ν 设为 0.01 / π 0.01/\pi 0.01/π
请添加图片描述

3. Allen–Cahn equation

Allen–Cahn方程的形式如下:
∂ u ∂ t = D ∂ 2 u ∂ x 2 + 5 ( u − u 3 ) , x ∈ [ − 1 , 1 ] , t ∈ [ 0 , 1 ] , u ( x , 0 ) = x 2 cos ⁡ ( π x ) , u ( − 1 , t ) = u ( 1 , t ) = − 1 , \begin{array}{l} \frac{\partial u}{\partial t}=D \frac{\partial^{2} u}{\partial x^{2}}+5\left(u-u^{3}\right), \quad x \in[-1,1], t \in[0,1], \\ u(x, 0)=x^{2} \cos (\pi x), \\ u(-1, t)=u(1, t)=-1, \end{array} tu=Dx22u+5(uu3),x[1,1],t[0,1],u(x,0)=x2cos(πx),u(1,t)=u(1,t)=1,
其中,扩散系数 D = 0.001 D=0.001 D=0.001 .

请添加图片描述

4. Wave equation

一维波动方程如下:
∂ 2 u ∂ t 2 − 4 ∂ 2 u ∂ x 2 = 0 , x ∈ [ 0 , 1 ] , t ∈ [ 0 , 1 ] , u ( 0 , t ) = u ( 1 , t ) = 0 , t ∈ [ 0 , 1 ] , u ( x , 0 ) = sin ⁡ ( π x ) + 1 2 sin ⁡ ( 4 π x ) , x ∈ [ 0 , 1 ] , ∂ u ∂ t ( x , 0 ) = 0 , x ∈ [ 0 , 1 ] , \begin{array}{l} \frac{\partial^{2} u}{\partial t^{2}}-4 \frac{\partial^{2} u}{\partial x^{2}}=0, \quad x \in[0,1], t \in[0,1], \\ u(0, t)=u(1, t)=0, \quad t \in[0,1], \\ u(x, 0)=\sin (\pi x)+\frac{1}{2} \sin (4 \pi x), \quad x \in[0,1], \\ \frac{\partial u}{\partial t}(x, 0)=0, \quad x \in[0,1], \end{array} t22u4x22u=0,x[0,1],t[0,1],u(0,t)=u(1,t)=0,t[0,1],u(x,0)=sin(πx)+21sin(4πx),x[0,1],tu(x,0)=0,x[0,1],
精确解为:
u ( x , t ) = sin ⁡ ( π x ) cos ⁡ ( 2 π t ) + 1 2 sin ⁡ ( 4 π x ) cos ⁡ ( 8 π t ) . u(x, t)=\sin (\pi x) \cos (2 \pi t)+\frac{1}{2} \sin (4 \pi x) \cos (8 \pi t) . u(x,t)=sin(πx)cos(2πt)+21sin(4πx)cos(8πt).

二、反问题

1. Burgers’ equation

Burgers方程的定义为:
∂ u ∂ t + u ∂ u ∂ x = v ∂ 2 u ∂ x 2 , x ∈ [ − 1 , 1 ] , t ∈ [ 0 , 1 ] , u ( x , 0 ) = − sin ⁡ ( π x ) , u ( − 1 , t ) = u ( 1 , t ) = 0 , \begin{array}{l} \frac{\partial u}{\partial t}+u \frac{\partial u}{\partial x}=v \frac{\partial^{2} u}{\partial x^{2}}, \quad x \in[-1,1], t \in[0,1], \\ u(x, 0)=-\sin (\pi x), \\ u(-1, t)=u(1, t)=0, \end{array} tu+uxu=vx22u,x[1,1],t[0,1],u(x,0)=sin(πx),u(1,t)=u(1,t)=0,
其中, u u u 为流速, ν ν ν 为流体的粘度。
  这里假设 v v v 未知,我们同时求解方程的解和v的值。

在这里插入图片描述

3. 部分代码示例

import torch
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

sin = torch.sin
cos = torch.cos
exp = torch.exp
pi = torch.pi

epochs = 50000    # 训练代数,要为1000的整数倍
h = 100    # 画图网格密度
N = 30    # 内点配置点数
N1 = 10    # 边界点配置点数
N2 = 5000    # 数据点

# error
L2_error = []
L2_error_data = []
L2_error_eq = []
# Training
u = MLP()
opt = torch.optim.Adam(params=u.parameters())
xt, u_real = test_data(x_inf=-1, x_sup=1, t_inf=0, t_sup=1, h=h)
print("**************** equation+data ********************")
for i in range(epochs):
    opt.zero_grad()
    l = l_interior(u) \
        + l_down(u) \
        + l_left(u) \
        + l_right(u) \
        + l_data(u)
    l.backward()
    opt.step()
    if (i+1) % 1000 == 0 or i == 0:
        u_pred = u(xt)
        error = l2_relative_error(u_real, u_pred.detach().numpy())
        L2_error.append(error)
        print("L2相对误差: ", error)


u1 = MLP()
opt = torch.optim.Adam(params=u1.parameters())
print("**************** data ********************")
for i in range(epochs):
    opt.zero_grad()
    l = l_data(u1)
    l.backward()
    opt.step()
    if (i+1) % 1000 == 0 or i == 0:
        u_pred = u1(xt)
        error = l2_relative_error(u_real, u_pred.detach().numpy())
        L2_error_data.append(error)
        print("L2相对误差: ", error)


u2 = MLP()
opt = torch.optim.Adam(params=u2.parameters())
print("**************** equation ********************")
for i in range(epochs):
    opt.zero_grad()
    l = l_interior(u2) \
        + l_down(u2) \
        + l_left(u2) \
        + l_right(u2)
    l.backward()
    opt.step()
    if (i+1) % 1000 == 0 or i == 0:
        u_pred = u2(xt)
        error = l2_relative_error(u_real, u_pred.detach().numpy())
        L2_error_eq.append(error)
        print("L2相对误差: ", error)


print("********************************")
print("PINN相对误差为: ", L2_error[-1])
print("equation相对误差为: ", L2_error_eq[-1])
print("data相对误差为: ", L2_error_data[-1])
print("********************************")

x = range(int(epochs / 1000 + 1))
plt.plot(x, L2_error, c='red', label='pinn')
plt.plot(x, L2_error_data, c='blue', label='only data')
plt.plot(x, L2_error_eq, c='yellow', label='only equation')
plt.scatter(x, L2_error, c='red')
plt.scatter(x, L2_error_data, c='blue')
plt.scatter(x, L2_error_eq, c='yellow')
plt.yscale('log')
plt.legend()
plt.show()

完整代码目录如下:
在这里插入图片描述

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