逆問題におけるノイズに対するPhysics-Informed Neural Networksの堅牢性の検証
なぜ重要か: 企業や社会への影響が見込まれ、一般メディアにも波及する可能性があります。
arXiv:2509.20191v1発表種別:クロス
要旨:偏微分方程式(PDEs)の近似解を求めることは、科学技術における力学系のモデリングにおいて基本的なものである。Physics-informed neural networks (PINNs)は近年登場した機械学習に基づくアプローチであり、その特性と限界については未だ不明な点が多い。PINNsは、有限要素法などの従来のPDEs解法と比較して、計算時間と精度において劣ると広く認識されている。しかしながら、PINNsは逆問題の解決やノイズの多い、あるいは不完全なデータの処理において有望であると一般的に主張されている。本研究では、数値最適化器と組み合わせた有限要素法を用いた従来のアプローチと比較して、逆問題を解く上でのPINNsの性能を比較する。モデルは、ノイズの有無に関わらず、一連の難易度が増していく流体力学の問題でテストされる。その結果、PINNsは人的な努力と専門知識を比較的少なく済ませることができるものの、従来のアプローチに性能で劣ることが分かった。しかしながら、その差は次元数とデータ量が増えるにつれて小さくなる傾向にある。ノイズの多い逆問題におけるPINNsの性能を向上させるためには、訓練中の一般的な失敗を克服する必要がある。
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Title (EN): Examining the robustness of Physics-Informed Neural Networks to noise for Inverse Problems
arXiv:2509.20191v1 Announce Type: cross
Abstract: Approximating solutions to partial differential equations (PDEs) is fundamental for the modeling of dynamical systems in science and engineering. Physics-informed neural networks (PINNs) are a recent machine learning-based approach, for which many properties and limitations remain unknown. PINNs are widely accepted as inferior to traditional methods for solving PDEs, such as the finite element method, both with regard to computation time and accuracy. However, PINNs are commonly claimed to show promise in solving inverse problems and handling noisy or incomplete data. We compare the performance of PINNs in solving inverse problems with that of a traditional approach using the finite element method combined with a numerical optimizer. The models are tested on a series of increasingly difficult fluid mechanics problems, with and without noise. We find that while PINNs may require less human effort and specialized knowledge, they are outperformed by the traditional approach. However, the difference appears to decrease with higher dimensions and more data. We identify common failures during training to be addressed if the performance of PINNs on noisy inverse problems is to become more competitive.
Published: 2025-09-24 19:00 UTC