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物理信息神经网络(PINNs)中的导数计算:自动微分、有限差分及其他方法

Derivative Computation in PINNs: Automatic Differentiation, Finite Differences and Beyond

Maciej J. Mikulski, Tadeusz Uhl

arXiv 2608.11020首次发表:更新:

发表机构

AGH University of Krakow(克拉科夫AGH科技大学)

机构由 AI 辅助整理,请以论文原文为准。

AI 中文总结

该研究对比PINNs中FD与AD的导数计算性能,发现FD精度相当且速度更快、内存占用更少,其随机变体在稳态问题上优于AD,还解决了含样本间依赖架构的逐样本导数计算问题。

AI 中文摘要

我们系统研究了物理信息神经网络(PINNs)中作为自动微分(AD)替代方案的有限差分(FD)导数计算方法。在三个基准偏微分方程(PDE)上,我们表明,通过适当校准步长,FD在每个问题上的精度与AD相当,同时在所有测试的批量大小范围内运行更快,且占用的GPU内存显著更少;我们提出的随机变体在一个稳态问题上的性能优于AD。我们进一步表明,对于具有样本间依赖关系的神经架构(如批量归一化(BatchNorm)、自注意力机制),标准PyTorch自动微分用法存在隐性错误;在PINN相关批量大小下,正确的逐样本方法在计算上不可行,而FD提供了一种仅前向的近似,经验上与真实逐样本导数的接近程度达一个数量级。

英文摘要

We systematically investigate finite-difference (FD) derivative computation in Physics-Informed Neural Networks (PINNs) as an alternative to automatic differentiation (AD). On three benchmark PDEs we show that, with a properly calibrated step size, FD matches AD in accuracy on every problem while running faster across the full tested batch-size range and using substantially less GPU memory, and that a stochastic variant we propose outperforms AD on a stationary problem. We further show that for neural architectures with inter-sample dependencies (e.g. BatchNorm, self-attention) the standard PyTorch autograd idiom is silently incorrect; the correct per-sample alternative is computationally infeasible at PINN-relevant batch sizes, while FD provides a forward-only approximation that is empirically an order of magnitude closer to the true per-sample derivative.

Comments22 pages, 5 figures

论文原文

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