1. 从“选择样本”到“优化样本”
与依赖大规模候选池的传统方法不同,RAMS直接优化已有样本的位置或函数表示。网络参数通过最小化训练损失更新,样本参数则通过最大化物理残差更新,两类优化交替进行。对于输入函数,作者采用与高斯随机场协方差核一致的核平滑,兼顾“寻找高残差区域”和保持函数连续性。
图2 二维Poisson问题中的样本迁移:可训练样本从近似均匀分布逐步聚集到(0.5, 0.5)附近的高残差内峰。(图片来自原文Figure 3)
2. 在不同PINN采样策略上稳定增益
在一维Burgers方程中,加入RAMS后,随机采样的平均相对L2误差由0.181降至0.010,下降超过一个数量级;在一维波动方程中,各采样方法的误差平均降低超过50%;在具有尖锐内峰的二维Poisson问题中,误差降低约40%-95%。上述实验中,RAMS样本移动步骤的平均耗时均低于总运行时间的2%,表明其增益并非来自增加计算预算。
图3 RAMS与六种PINN采样策略结合后的误差对比:A、B、C依次对应Burgers方程、波动方程和Poisson方程。(图片来自原文Figure 2)
3. 样本会主动聚集到模型薄弱区域
二维Poisson算例直观展示了RAMS的工作机制。初始样本近似均匀分布;随着训练推进,可移动样本逐渐向(0.5, 0.5)附近的尖锐内峰聚集。相比“反复生成更多点”,这种基于梯度的定向迁移能够以有限样本持续追踪高残差区域。
4. 高维PDE与算子学习中的效率优势
在最高10维的PDE上,使用相同的2万个配点时,普通随机采样在维数不小于7时误差接近1,而RAMS在10维时仍将误差保持在10-2以下。为达到相对均方误差不高于10-3,6维问题中普通随机采样耗时约19861秒,RAMS约829秒;RAMS的成本随维度近似线性增长,10维耗时约1529秒。
图4 高维PDE结果:RAMS显著降低误差,并避免普通随机采样所需样本数和计算成本随维度快速增长。(图片来自原文Figure 4)
在物理信息算子学习中,扩散-反应方程的一个困难测试集上,随机采样的平均误差由约0.25降至0.08;在8维动态系统中,RAMS仅使用面向代理模型的深度自适应采样(DAS2)约3%的样本即可达到相近精度。对于数据驱动算子学习,含不连续波速的波动方程误差最多降低63%,二维Burgers方程误差约降低40%。这些结果表明,RAMS为高维函数空间中的自适应采样提供了可行路径。
图5 8维动态系统的物理信息算子学习结果:RAMS使用1000和2500个样本,即可分别达到DAS²使用25000和75000个样本时的相近精度。(图片来自原文Figure 8)
图6 数据驱动算子学习结果:在不连续波速的波动方程中,RAMS在50、100和200个训练样本下均优于随机采样基线,误差最多降低63%。(图片来自原文Figure 9)