Partial differential equations (PDEs) fitting scientific data can represent physical laws with explainable mechanisms for various mathematically-oriented subjects. The data-driven discovery of PDEs from scientific data thrives as a new attempt to model complex phenomena in nature, but the effectiveness of current practice is typically limited by the scarcity of data and the complexity of phenomena. Especially, the discovery of PDEs with highly nonlinear coefficients from low-quality data remains largely under-addressed. To deal with this challenge, we propose a novel physics-guided learning method, which can not only encode observation knowledge such as initial and boundary conditions but also incorporate the basic physical principles and laws to guide the model optimization. We empirically demonstrate that the proposed method is more robust against data noise and sparsity, and can reduce the estimation error by a large margin; moreover, for the first time we are able to discover PDEs with highly nonlinear coefficients. With the promising performance, the proposed method pushes forward the boundary of the PDEs that can be found by machine learning models for scientific discovery.


翻译:部分差异方程(PDEs) 适当的科学数据可以代表物理法,具有各种数学导向主题的可解释机制。数据驱动的科学数据中PDE的发现,作为模拟复杂现象性质的新尝试,在数据驱动下发展起来,但目前做法的效力通常因数据稀缺和现象复杂而受到限制。特别是,从低质量数据中发现高非线性系数的PDE在很大程度上仍然得不到充分处理。为了应对这一挑战,我们提议了一种新的物理指导学习方法,它不仅可以将初始和边界条件等观测知识编码起来,而且还包括基本物理原理和法律来指导模型优化。我们从经验上证明,所提议的方法对数据噪音和宽度更为有力,并且能够大大减少估计错误;此外,我们第一次能够以高度非线性系数发现PDE。随着前景良好的表现,拟议方法推向了通过机器学习模型发现的科学发现PDE的界限。

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