2次元静磁場問題のNon-overlapping型領域分割法に基づくPINN

PINNは偏微分方程式の初期境界値問題の誤差を損失関数に組み込んでニューラルネットワークを学習させる手法であり,多くの研究が報告されている.PINNによる予測解の精度を向上させるためには,学習データセットのサイズを大きくし,さらに非一様度の低い分布を持つ学習データを用いることが望ましい.しかし,大規模な学習データを並列処理する場合,分布の特徴を維持したまま点集合を分割することは困難である.そこで本論文では,有限要素法の並列数値計算法として知られているNon-overlapping型領域分割法に着目する.特に,古典的なDirichlet-Neumann, Neumann-Neumann, Dir...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in日本計算工学会論文集 Vol. 2024; p. 20240009
Main Author 荻野, 正雄
Format Journal Article
LanguageJapanese
Published 一般社団法人 日本計算工学会 23.08.2024
Subjects
Online AccessGet full text
ISSN1347-8826
DOI10.11421/jsces.2024.20240009

Cover

Abstract PINNは偏微分方程式の初期境界値問題の誤差を損失関数に組み込んでニューラルネットワークを学習させる手法であり,多くの研究が報告されている.PINNによる予測解の精度を向上させるためには,学習データセットのサイズを大きくし,さらに非一様度の低い分布を持つ学習データを用いることが望ましい.しかし,大規模な学習データを並列処理する場合,分布の特徴を維持したまま点集合を分割することは困難である.そこで本論文では,有限要素法の並列数値計算法として知られているNon-overlapping型領域分割法に着目する.特に,古典的なDirichlet-Neumann, Neumann-Neumann, Dirichlet-Dirichletアルゴリズムに加え,偏微分方程式として記述した共役勾配法に基づくDDMアルゴリズムを導出し,PINNを適用した.さらに,提案手法を2次元静磁場問題に適用し,数値実験結果により有用性を示した.
AbstractList PINNは偏微分方程式の初期境界値問題の誤差を損失関数に組み込んでニューラルネットワークを学習させる手法であり,多くの研究が報告されている.PINNによる予測解の精度を向上させるためには,学習データセットのサイズを大きくし,さらに非一様度の低い分布を持つ学習データを用いることが望ましい.しかし,大規模な学習データを並列処理する場合,分布の特徴を維持したまま点集合を分割することは困難である.そこで本論文では,有限要素法の並列数値計算法として知られているNon-overlapping型領域分割法に着目する.特に,古典的なDirichlet-Neumann, Neumann-Neumann, Dirichlet-Dirichletアルゴリズムに加え,偏微分方程式として記述した共役勾配法に基づくDDMアルゴリズムを導出し,PINNを適用した.さらに,提案手法を2次元静磁場問題に適用し,数値実験結果により有用性を示した.
Author 荻野, 正雄
Author_xml – sequence: 1
  fullname: 荻野, 正雄
  organization: 大同大学情報学部情報システム学科
BookMark eNo9kM1Kw0AAhBdRsNa-ga-Qun9NNkcpaisletBz2CSbmhCTki2CxyBKRaGngh40LeJJ8aCefJ2wlbyFtlUv38AwDMysgeU4iQUAGwjWEaIYbYbSFbKOIaZzQAjNJVBBhBoaY1hfBTUpA2dm60iHrAL28PRloi7Oy_u7r8dMjT_UaFhObors1UpiLTkVacR7vSDuqofrcnyr8lwNLtXV2_R9VGTPKv8ssqciGx60LWsdrPg8kqL2q1VwtLN92Gxpnf3ddnOro4WIMa6ZzDO5SRoYEd_hlEJOBIQYm9g3iIOZaEAPO9QljOnIRFT_oY48ZriUMMMXpApai95Q9nlX2L00OOHpmc3TfuBGwp5_YM_m23Ahf1f8R9xjntohJ9_mz25u
ContentType Journal Article
Copyright The Japan Society For Computational Engineering and Science
Copyright_xml – notice: The Japan Society For Computational Engineering and Science
DOI 10.11421/jsces.2024.20240009
DatabaseTitleList
DeliveryMethod fulltext_linktorsrc
Discipline Applied Sciences
EISSN 1347-8826
EndPage 20240009
ExternalDocumentID article_jsces_2024_0_2024_20240009_article_char_ja
GroupedDBID ABJNI
ACGFS
ALMA_UNASSIGNED_HOLDINGS
E3Z
JSF
KQ8
RJT
ID FETCH-LOGICAL-j188a-98d9a935213fba440a3e002292f73b28e50d2b4c38861914661961d87c4387fe3
IngestDate Wed Sep 03 06:30:29 EDT 2025
IsDoiOpenAccess true
IsOpenAccess true
IsPeerReviewed false
IsScholarly true
Language Japanese
LinkModel OpenURL
MergedId FETCHMERGED-LOGICAL-j188a-98d9a935213fba440a3e002292f73b28e50d2b4c38861914661961d87c4387fe3
OpenAccessLink https://www.jstage.jst.go.jp/article/jsces/2024/0/2024_20240009/_article/-char/ja
PageCount 1
ParticipantIDs jstage_primary_article_jsces_2024_0_2024_20240009_article_char_ja
PublicationCentury 2000
PublicationDate 2024/08/23
PublicationDateYYYYMMDD 2024-08-23
PublicationDate_xml – month: 08
  year: 2024
  text: 2024/08/23
  day: 23
PublicationDecade 2020
PublicationTitle 日本計算工学会論文集
PublicationYear 2024
Publisher 一般社団法人 日本計算工学会
Publisher_xml – name: 一般社団法人 日本計算工学会
References (14) Snyder, W., Tezaur, I., Christopher, W., Domain decomposition-based coupling of physics-informed neural networks via the Schwarz alternating method, arXiv, 2023, 2111.00224.
(1) Raissi, M., Perdikaris, P., and Karniadakis, G.E., Physics-informed neural networks: A deep learning framework for solving forward and inverse problems involving nonlinear partial differential equations, J. Comput. Phys., 378, 2019, pp. 686-707.
(9) 塩谷隆二, 矢川元基, 階層型領域分割法による1億自由度並列有限要素解析, 日本計算工学会論文集, 2001, 2001, Paper No. 20010024.
(12) Kharazmi, E., Zhang, Z., Karmiadakis, G. E. M., hp-VPINNs: Variational physics-informed neural networks with domain decomposition, Comput. Methods Appl. Mech. Eng., 374-1, 2021, 113547.
(18) Bjorstad, P.E. and Widlund, O.B., Iterative methods for the solution of elliptic problems on regions partitioned into substructures, SIAM J. Numer. Analysis, 23, 1986, pp. 1097-1120.
(7) Smith, B. F., Bjorstad, P. E., and Gropp, W. D., Domain Decomposition: Parallel Multilevel Methods for Elliptic Partial Differential Equations, Cambridge University Press, 2004.
(17) Backstrom, B. and Backstrom, G., Simple Fields of Physics by Finite Element Analysis, GB Publishing, 2005.
(3) 荻野正雄, 非一様度が低い点集合を用いたPINNによるポアソン方程式の予測モデル性能評価, 日本計算工学会論文集, 2024, 2024, Paper No. 20240003.
(13) Shukla, K., Jagtap, A. D., Karniadakis, G. E., Parallel physics-informed neural networks via domain decomposition, J. Comput. Phys., 447-15, 2021, 110683.
(2) Cuomo, S., Di Cola, V.S., Giampaolo, F., Rozza, G., Raissi, M., and Piccialli, F., Scientific machine learning through physics-informed neural networks: where we are and what's next, arXiv, 2022, 2201.05624v4.
(5) Farhat, C. and Roux, F., Implicit parallel processing in structural mechanics, Comput. Mech. Adv., 2, 1994, pp. 1-124.
(8) Tosseli, A. and Widlund, O., Domain Decomposition Methods-Algorithms and Theory, Springer, 2005.
(10) 塩谷隆二, 金山寛, 田上大助, 荻野正雄, バランシング領域分割法による3次元大規模構造解析, 日本計算工学会論文集, 2000, 2000, Paper No. 20000017.
(4) Yagawa, G. and Shioya, R., Parallel finite elements on a massively parallel computer with domain decomposition, Comput. Sys. Eng., 4, 1994, pp. 495-503.
(6) Quarteroni, A. and Valli, A., Domain Decomposition Methods for Partial Differential Equations, Oxford University Press, 1999.
(15) Hu, Z., Jagtap, A. D., Karniadakis, G. E., Augmented physics-informed neural networks (APINNs): A gating network-based soft domain decomposition methodology, Eng. Appl. Artif. Intell., 126-8, 2023, 107183.
(11) Jagtap, A. D., Kharazmi, E., Karniadakis, G. E., Conservative physics-informed neural networks on discrete domains for conservation laws: Applications to forward and inverse problems, Comput. Methods Appl. Mech. Eng., 365-15, 2020, 113028.
(16) Gu, L., Qin, S., Xu, L., Chen, R., Physics-informed neural networks with domain decomposition for the incompressible Navier-Stokes equations, Phys. Fluids, 36-2, 2024. (doi: 10.1063/5.0188830)
References_xml – reference: (2) Cuomo, S., Di Cola, V.S., Giampaolo, F., Rozza, G., Raissi, M., and Piccialli, F., Scientific machine learning through physics-informed neural networks: where we are and what's next, arXiv, 2022, 2201.05624v4.
– reference: (6) Quarteroni, A. and Valli, A., Domain Decomposition Methods for Partial Differential Equations, Oxford University Press, 1999.
– reference: (17) Backstrom, B. and Backstrom, G., Simple Fields of Physics by Finite Element Analysis, GB Publishing, 2005.
– reference: (10) 塩谷隆二, 金山寛, 田上大助, 荻野正雄, バランシング領域分割法による3次元大規模構造解析, 日本計算工学会論文集, 2000, 2000, Paper No. 20000017.
– reference: (18) Bjorstad, P.E. and Widlund, O.B., Iterative methods for the solution of elliptic problems on regions partitioned into substructures, SIAM J. Numer. Analysis, 23, 1986, pp. 1097-1120.
– reference: (8) Tosseli, A. and Widlund, O., Domain Decomposition Methods-Algorithms and Theory, Springer, 2005.
– reference: (13) Shukla, K., Jagtap, A. D., Karniadakis, G. E., Parallel physics-informed neural networks via domain decomposition, J. Comput. Phys., 447-15, 2021, 110683.
– reference: (9) 塩谷隆二, 矢川元基, 階層型領域分割法による1億自由度並列有限要素解析, 日本計算工学会論文集, 2001, 2001, Paper No. 20010024.
– reference: (4) Yagawa, G. and Shioya, R., Parallel finite elements on a massively parallel computer with domain decomposition, Comput. Sys. Eng., 4, 1994, pp. 495-503.
– reference: (7) Smith, B. F., Bjorstad, P. E., and Gropp, W. D., Domain Decomposition: Parallel Multilevel Methods for Elliptic Partial Differential Equations, Cambridge University Press, 2004.
– reference: (14) Snyder, W., Tezaur, I., Christopher, W., Domain decomposition-based coupling of physics-informed neural networks via the Schwarz alternating method, arXiv, 2023, 2111.00224.
– reference: (1) Raissi, M., Perdikaris, P., and Karniadakis, G.E., Physics-informed neural networks: A deep learning framework for solving forward and inverse problems involving nonlinear partial differential equations, J. Comput. Phys., 378, 2019, pp. 686-707.
– reference: (3) 荻野正雄, 非一様度が低い点集合を用いたPINNによるポアソン方程式の予測モデル性能評価, 日本計算工学会論文集, 2024, 2024, Paper No. 20240003.
– reference: (5) Farhat, C. and Roux, F., Implicit parallel processing in structural mechanics, Comput. Mech. Adv., 2, 1994, pp. 1-124.
– reference: (11) Jagtap, A. D., Kharazmi, E., Karniadakis, G. E., Conservative physics-informed neural networks on discrete domains for conservation laws: Applications to forward and inverse problems, Comput. Methods Appl. Mech. Eng., 365-15, 2020, 113028.
– reference: (12) Kharazmi, E., Zhang, Z., Karmiadakis, G. E. M., hp-VPINNs: Variational physics-informed neural networks with domain decomposition, Comput. Methods Appl. Mech. Eng., 374-1, 2021, 113547.
– reference: (16) Gu, L., Qin, S., Xu, L., Chen, R., Physics-informed neural networks with domain decomposition for the incompressible Navier-Stokes equations, Phys. Fluids, 36-2, 2024. (doi: 10.1063/5.0188830)
– reference: (15) Hu, Z., Jagtap, A. D., Karniadakis, G. E., Augmented physics-informed neural networks (APINNs): A gating network-based soft domain decomposition methodology, Eng. Appl. Artif. Intell., 126-8, 2023, 107183.
SSID ssib000961608
ssj0069538
ssib002670976
Score 2.4043052
Snippet PINNは偏微分方程式の初期境界値問題の誤差を損失関数に組み込んでニューラルネットワークを学習させる手法であり,多くの研究が報告されている.PINNによる予測解の精...
SourceID jstage
SourceType Publisher
StartPage 20240009
SubjectTerms Conjugate Gradient Method
Domain Decomposition Methods
Machine Learning
Magnetostatic Field Analysis
Physics-Informed Neural Network
Title 2次元静磁場問題のNon-overlapping型領域分割法に基づくPINN
URI https://www.jstage.jst.go.jp/article/jsces/2024/0/2024_20240009/_article/-char/ja
Volume 2024
hasFullText 1
inHoldings 1
isFullTextHit
isPrint
ispartofPNX 日本計算工学会論文集, 2024/08/23, Vol.2024, pp.20240009-20240009
journalDatabaseRights – providerCode: PRVAFT
  databaseName: Open Access Digital Library
  databaseCode: KQ8
  dateStart: 19970101
  customDbUrl:
  isFulltext: true
  eissn: 1347-8826
  dateEnd: 99991231
  titleUrlDefault: http://grweb.coalliance.org/oadl/oadl.html
  omitProxy: true
  ssIdentifier: ssj0069538
  providerName: Colorado Alliance of Research Libraries
link http://utb.summon.serialssolutions.com/2.0.0/link/0/eLvHCXMwrV3Na9RAFA-1Xrz4LdYvenBOkjWbTJI3x5ndLLXiotBCbyHZJMJStmK3F2-LKIpCTwU96LaIJ8WDevLfWVLZ_8L3Jsmaag9WhZAd3vzmzXvzJvvehJkXw7ieJa6PYWgTFzlubGL8D2bMM9fMROJmGceQWX_u7U7XW1rly2vu2tyx9dqupa1h3Og9OvRcyd9YFWloVzolewTLzpgiActoX7yjhfH-Rza2WeAx2WKyyQKXAV4OCwQTbSYEC3wmHQwUqUpaTHEqCMR0CINNoMUCDZBBd2Ng0l7O9YjSNdzXyICB0kiLCdCUDl3UETDwdEEwpWVQDnEuuakSrGRFqaqgc_dWt1uPh6mx8DUCCy1SJgAmgfogBQKqRXaqwKAmbSaxb85UiwmpwYoJTzf3GPhaf8Vg9sKRINBmSuuC9aC3f-qBa9MAlXhef_1hc3qfW5xQ1hNWdwi0KyTQopGYKBESA62s0pxm48BJdyVv_KN2hfMsPIbD0c1Dcey_cikkaN0rUCI5yxK1KKNO-t2LcVu7sU10FQ1CNg5yOJAfvJx9oUaHBAyt4qdqFFYQOsgX9nE1cdz2PY--93H7Xi0YF17Tq2V6sim1HwWrRVzjCfSN5eFTEvDmIeJhGNfHRU21IVLHaCunjZPl4mpRFoKcMeb60VnjVLnQWizd2OY5Y9ne_7iXP3k8ffP6-7tRvvs139me7r2cjD798iDkb19Md1_l43H-7Gn-_PP-l53J6EM-_jYZvZ-MtmkynzdWO8FKa8ksPypi9psAkSkgEZHAZUfTyeKIcytyUgpkhZ35TmxD6lqJHfOeA-BR7kOMX3FcEvB73AE_S50LxvxgY5BeNBYBsiix8K84Qlzci4UXZz0rRZKAFF3bgiGL0QgfFJljwqPb6tJ_4HHZOPHzyblizA8fbqVXMZQextf0DPgBDKehjg
linkProvider Colorado Alliance of Research Libraries
openUrl ctx_ver=Z39.88-2004&ctx_enc=info%3Aofi%2Fenc%3AUTF-8&rfr_id=info%3Asid%2Fsummon.serialssolutions.com&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Ajournal&rft.genre=article&rft.atitle=2%E6%AC%A1%E5%85%83%E9%9D%99%E7%A3%81%E5%A0%B4%E5%95%8F%E9%A1%8C%E3%81%AENon-overlapping%E5%9E%8B%E9%A0%98%E5%9F%9F%E5%88%86%E5%89%B2%E6%B3%95%E3%81%AB%E5%9F%BA%E3%81%A5%E3%81%8FPINN&rft.jtitle=%E6%97%A5%E6%9C%AC%E8%A8%88%E7%AE%97%E5%B7%A5%E5%AD%A6%E4%BC%9A%E8%AB%96%E6%96%87%E9%9B%86&rft.au=%E8%8D%BB%E9%87%8E%2C+%E6%AD%A3%E9%9B%84&rft.date=2024-08-23&rft.pub=%E4%B8%80%E8%88%AC%E7%A4%BE%E5%9B%A3%E6%B3%95%E4%BA%BA+%E6%97%A5%E6%9C%AC%E8%A8%88%E7%AE%97%E5%B7%A5%E5%AD%A6%E4%BC%9A&rft.eissn=1347-8826&rft.volume=2024&rft.spage=20240009&rft.epage=20240009&rft_id=info:doi/10.11421%2Fjsces.2024.20240009&rft.externalDocID=article_jsces_2024_0_2024_20240009_article_char_ja