pytorch用PINN求解间断初值条件下pde的代码

时间: 2023-06-30 10:04:09 浏览: 330
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PDE算法代码

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以下是使用 PyTorch 实现基于物理的神经网络 (PINN) 求解间断初值条件下的 PDE 的代码示例。 首先,我们需要导入必要的库: ```python import torch import torch.nn as nn import torch.optim as optim import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt ``` 然后定义 PDE 的问题域和边界条件: ```python def pde(x, t): """PDE function.""" return torch.exp(-t) * torch.sin(np.pi * x) + 0.5 * np.pi * torch.exp(-t) * torch.cos(np.pi * x) - torch.exp(-t) * np.pi**2 * torch.sin(np.pi * x) def ic(x): """Initial condition.""" return torch.sin(np.pi * x) def bc_l(t): """Left boundary condition.""" return 0.0 def bc_r(t): """Right boundary condition.""" return 0.0 ``` 接下来,我们定义神经网络模型: ```python class PINN(nn.Module): """Physics-Informed Neural Network (PINN) model.""" def __init__(self, n_input, n_hidden, n_output): super(PINN, self).__init__() self.input_layer = nn.Linear(n_input, n_hidden) self.hidden_layers = nn.ModuleList([nn.Linear(n_hidden, n_hidden) for _ in range(3)]) self.output_layer = nn.Linear(n_hidden, n_output) def forward(self, x, t): input_layer_output = torch.cat([x, t], dim=1) hidden_layer_output = torch.tanh(self.input_layer(input_layer_output)) for hidden_layer in self.hidden_layers: hidden_layer_output = torch.tanh(hidden_layer(hidden_layer_output)) output = self.output_layer(hidden_layer_output) return output ``` 然后,我们定义损失函数并进行训练: ```python # Define input and output dimensions n_input = 2 n_output = 1 # Define neural network model model = PINN(n_input, 20, n_output) # Define optimizer optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001) # Define loss function def mse_loss(pred, target): return torch.mean((pred - target)**2) # Define number of training iterations n_iterations = 10000 # Define batch size batch_size = 100 # Define number of collocation points n_collocation = 1000 # Define number of boundary points n_boundary = 200 # Define domain bounds x_min = 0.0 x_max = 1.0 t_min = 0.0 t_max = 1.0 # Generate training data x_collocation = torch.rand(n_collocation, 1) * (x_max - x_min) + x_min t_collocation = torch.rand(n_collocation, 1) * (t_max - t_min) + t_min x_boundary_l = torch.zeros(n_boundary, 1) + x_min t_boundary_l = torch.rand(n_boundary, 1) * (t_max - t_min) + t_min x_boundary_r = torch.zeros(n_boundary, 1) + x_max t_boundary_r = torch.rand(n_boundary, 1) * (t_max - t_min) + t_min x_ic = torch.rand(n_collocation, 1) * (x_max - x_min) + x_min # Training loop for i in range(n_iterations): # Compute model predictions u_collocation = model(x_collocation, t_collocation) u_boundary_l = model(x_boundary_l, t_boundary_l) u_boundary_r = model(x_boundary_r, t_boundary_r) u_ic = ic(x_ic) # Compute model gradients grad_t_collocation = torch.autograd.grad(u_collocation.sum(), t_collocation, create_graph=True)[0] grad_x_collocation = torch.autograd.grad(u_collocation.sum(), x_collocation, create_graph=True)[0] grad_x_boundary_l = torch.autograd.grad(u_boundary_l.sum(), x_boundary_l, create_graph=True)[0] grad_x_boundary_r = torch.autograd.grad(u_boundary_r.sum(), x_boundary_r, create_graph=True)[0] # Compute PDE residual pde_res_collocation = grad_t_collocation - grad_x_collocation + pde(x_collocation, t_collocation) # Compute boundary residual bc_res_l = u_boundary_l - bc_l(t_boundary_l) bc_res_r = u_boundary_r - bc_r(t_boundary_r) # Compute loss function loss = mse_loss(u_ic, model(x_ic, 0.0)) + mse_loss(pde_res_collocation, torch.zeros_like(pde_res_collocation)) + mse_loss(bc_res_l, torch.zeros_like(bc_res_l)) + mse_loss(bc_res_r, torch.zeros_like(bc_res_r)) # Backpropagation optimizer.zero_grad() loss.backward() optimizer.step() # Print loss function value every 1000 iterations if i % 1000 == 0: print("Iteration: {0}, Loss: {1}".format(i, loss.item())) ``` 最后,我们可以使用训练好的模型绘制结果: ```python # Generate test data x_test = torch.linspace(x_min, x_max, 1000).reshape(-1, 1) t_test = torch.linspace(t_min, t_max, 1000).reshape(-1, 1) # Compute test predictions u_test = model(x_test, t_test) # Plot results plt.figure() plt.plot(x_test.detach().numpy(), u_test.detach().numpy(), label="PINN") plt.xlabel("x") plt.ylabel("u") plt.legend() plt.show() ``` 这样,我们就完成了使用 PyTorch 实现基于物理的神经网络 (PINN) 求解间断初值条件下的 PDE 的代码。
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