Enstitümüz Hesaplamalı Bilim ve Mühendislik Anabilim Dalı öğretim üyelerinden Prof. Dr. M. Serdar Çelebi ve aynı bölüm doktora adayı Afrah Farea’nın yazarları olduğu ‘Learnable Activation Functions in Physics-Informed Neural Networks for Solving Partial Differential Equations’ başlıklı makale ‘Computer Physics Communications’ isimli dergide Ekim 2025 tarihinde yayınlanmıştır.

DOI: 10.1016/j.cpc.2025.109753.

Abstract: Physics-Informed Neural Networks (PINNs) have emerged as a promising approach for solving Partial Differential Equations (PDEs). However, they face challenges related to spectral bias (the tendency to learn low-frequency components while struggling with high-frequency features) and unstable convergence dynamics (mainly stemming from the multi-objective nature of the PINN loss function). These limitations impact their accuracy for solving problems involving rapid oscillations, sharp gradients, and complex boundary behaviors. We systematically investigate learnable activation functions as a solution to these challenges, comparing Multilayer Perceptrons (MLPs) using fixed and learnable activation functions against Kolmogorov-Arnold Networks (KANs) that employ learnable basis functions. Our evaluation spans diverse PDE types, including linear and non-linear wave problems, mixed-physics systems, and fluid dynamics. Using empirical Neural Tangent Kernel (NTK) analysis and Hessian eigenvalue decomposition, we assess spectral bias and convergence stability of the models. Our results reveal a trade-off between expressivity and training convergence stability. While learnable activation functions work well in simpler architectures, they encounter scalability issues in complex networks due to the higher functional dimensionality. Counterintuitively, we find that low spectral bias alone does not guarantee better accuracy, as functions with broader NTK eigenvalue spectra may exhibit convergence instability. We demonstrate that activation function selection remains inherently problem-specific, with different bases showing distinct advantages for particular PDE characteristics. We believe these insights will help in the design of more robust neural PDE solvers.

İlgili Github sayfasına aşağıdaki linkten ulaşabilirsiniz:

https://github.com/afrah/pinn_learnable_activation

Computational Modeling and Simulation Lab ekibinin diğer çalışmaları, yayınları ve projeleri hakkında daha fazla bilgiye ulaşmak için https://computing.itu.edu.tr/ web sitesini ziyaret edebilirsiniz.

SerdarCelebi_makale1

İTÜ Bilişim Enstitüsü

bilisim-anasayfa-hakkimizda

İTÜ Bilişim Enstitüsü, Bilişim Uygulamaları, Bilgisayar Bilimleri, Hesaplamalı Bilim ve Mühendislik ile İletişim Sistemleri Anabilim Dallarında aşağıda yer alan programlarda lisansüstü düzeyde eğitimler veren, bu alanlarda temel ve uygulamalı araştırmalar yapan bir birimdir.

Enstitü öğretim üyeleri ile öğrencileri, elektromanyetik alanlar, haberleşme sistemleri/regülasyonları, hesaplamalı malzeme tasarımı, hesaplamalı kimya/biyoloji, kriptografi, işaret/veri işleme/görselleştirme, büyük veri yönetimi, iklim ve okyanus bilimleri, termodinamik modelleme, haberleşme ağları ve moleküler enformatik alanlarında ulusal ve uluslar arası kuruluşlarca desteklenen araştırmalar yürütmektedir.

Enstitü öğretim üyeleri ve öğrencileri tarafından alınan ödüllerden bazıları:

  • HBM Programı’ndan araştırma görevlileri Hacer Duzman ve E. Cenk Ersan ile Prof. Dr. M. Serdar Çelebi tarafından ortaklaşa hazırlanan “Non-Invasive Complete Hemodynamic Model to Investigate the Effect of Multi-Stenosis in Patient-Specific Coronary Arteries” başlıklı çalışma, ESM’25 kapsamında En İyi Bildiri Ödülü'ne layık görülmüştür. (22-24 Ekim - Belçika)
  • HBM Doktora Programı öğrencilerimiz Hacer Duzman ve Muhammed Enis Şen, "Başarım 2024 8. Ulusal Yüksek Başarımlı Hesaplama Konferansı"nda düzenlenen "5 Dakikalık Tez Yarışması"nda ödül aldılar. 

Enstitü bünyesinde, Devlet Planlama Teşkilatı desteğiyle kurulan bir Yüksek Başarımlı Hesaplama Laboratuvarı da bulunmaktadır.