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学习微分方程及其解算子的核心框架。 (英语) Zbl 07842147号

摘要:本文提出了一个三步内核框架,用于微分方程函数形式(DE)的回归和学习其解算子。给定由网格上的噪声DE解和源/边界项对组成的训练集:(i)利用核平滑对解的数据和近似导数进行去噪;(ii)然后在核回归模型中使用该信息来学习DE的函数形式;(iii)然后在数值求解器中使用学习的DE,用新的源项或初始数据近似DE的解,从而构成操作员学习框架。数值实验将该方法与最先进的算法进行了比较。在DE学习中,我们的框架与非线性动力系统稀疏辨识(SINDy)的性能相匹配,而在操作员学习中,与成熟的神经网络方法相比,该方法在低训练数据状态下具有更好的性能。

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65新元 偏微分方程边值问题的数值方法
68泰克 人工智能
65立方厘米 概率方法,随机微分方程
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全文: 内政部

参考文献:

[1] 莱利,K.F。;霍布森,M.P。;Bence,S.J.,《物理与工程数学方法》,1999年,剑桥大学出版社·Zbl 0884.0001号
[2] 黑色,F。;Scholes,M.,《期权定价与公司负债》,J.Political Econ。,81, 3, 637-654, 1973 ·Zbl 1092.91524号
[3] Edelstein-Keshet,L.,生物数学模型,2005,SIAM·Zbl 1100.92001
[4] Marsden,J.E。;Hughes,T.J.,《弹性数学基础》,1994年,多佛出版社
[5] Temam,R.,Navier-Stokes方程:理论和数值分析,2001年,美国数学学会·Zbl 0981.35001号
[6] Karniadakis,G.E。;Kevrekidis,I.G。;卢,L。;佩迪卡里斯,P。;王,S。;Yang,L.,《物理告知机器学习》,自然科学出版社。,3, 6, 422-440, 2021
[7] Carleo,G。;西拉克,I。;克兰默,K。;Daudet,L。;舒尔德,M。;Tishby,北。;Vogt-Maranto,L。;Zdeborová,L.,《机器学习与物理科学》,《现代物理学评论》。,第91、4条,第045002页,2019年
[8] 威拉德,J。;贾,X。;徐,S。;斯坦巴赫,M。;Kumar,V.,《基于物理的建模与机器学习的集成:一项调查》,2020年,arXiv预印本arXiv:2003.04919
[9] 邦加德,J。;Lipson,H.,《非线性动力系统的自动逆向工程》,Proc。国家。阿卡德。科学。,104, 24, 9943-9948, 2007 ·Zbl 1155.37044号
[10] 施密特,M。;Lipson,H.,《从实验数据中提取自由形式自然法则》,《科学》,324592381-852009年
[11] 凯皮奥,J。;Somersalo,E.,统计和计算反问题,2006年,Springer科学与商业媒体·Zbl 0927.35134号
[12] Brunton,S.L。;Proctor,J.L。;Kutz,J.N.,通过非线性动力系统的稀疏识别从数据中发现控制方程,Proc。国家。阿卡德。科学。,113, 15, 3932-3937, 2016 ·Zbl 1355.94013号
[13] 卢,L。;Jin,P。;庞,G。;张,Z。;Karniadakis,G.E.,基于算子的普遍逼近定理,通过DeepONet学习非线性算子,Nat.Mach。整数。,3, 3, 218-229, 2021
[14] Z.Li,N.B.Kovachki,K.Azizzadenesheli,K.Bhattacharya,A.Stuart,A.Anandkumar等人,《参数偏微分方程的傅里叶神经算子》,载于:国际学习表征会议,2020年。
[15] 巴特勒,P。;达西,M。;侯赛尼,B。;Owhadi,H.,《内核方法对操作员学习具有竞争力》,2023年,arXiv预印本:2304.13202
[16] Rudy,S.H。;Brunton,S.L。;Proctor,J.L。;Kutz,J.N.,偏微分方程的数据驱动发现,科学。高级,3,4,文章e1602614 pp.,2017
[17] 巴塔查里亚,K。;侯赛尼,B。;科瓦奇奇,N.B。;Stuart,A.M.,参数偏微分方程的模型简化和神经网络,SMAI J.Compute。数学。,7, 121-157, 2021 ·Zbl 1481.65260号
[18] 李,Z。;刘,B。;Azizzadenesheli,K。;巴塔查里亚,K。;Anandkumar,A.,《神经算子:函数空间之间的学习映射及其对偏微分方程的应用》,J.Mach。学习。2023年第24、89、1-97号决议
[19] Bock,H.G.,ode参数识别技术的最新进展,(微分和积分方程反问题的数值处理,1983年,Springer),95-121·Zbl 0516.65067号
[20] Bock,H.G.,化学反应动力学反问题的数值处理,(化学反应系统建模,1981,Springer),102-125
[21] Stuart,A.,《逆向问题:贝叶斯观点》,《数值学报》。,19, 451-559, 2010 ·Zbl 1242.65142号
[22] Tröltzsch,F.,《偏微分方程的最优控制:理论、方法和应用》,2010年,美国数学学会·Zbl 1195.49001号
[23] de Silva,B.M。;冠军K。;奎德,M。;Loiseau,J.-C。;库茨,J.N。;Brunton,S.L.,Pysindy:从数据稀疏识别非线性动力学的python包,2020年,arXiv预印本arXiv:2004.08424
[24] Schaeffer,H.,通过数据发现和稀疏优化学习偏微分方程,Proc。R.Soc.A,473,2197,第20160446页,2017年·Zbl 1404.35397号
[25] Kang,S.H。;Liao,W。;Liu,Y.,Ident:用数值时间演化识别微分方程,J.Sci。计算。,87, 1, 1-27, 2021 ·Zbl 1467.65102号
[26] 奥瓦迪,H。;Scovel,C。;Yoo,G.R.,内核模式分解与内核编程,2021,施普林格·Zbl 1504.62012年
[27] 何毅。;Suh,N。;霍,X。;Kang,S.H。;Mei,Y.,单噪声轨迹正则化PDE识别的渐近理论,SIAM/ASA J.不确定。数量。,10, 3, 1012-1036, 2022 ·Zbl 1493.62440号
[28] 何毅。;赵,H。;钟毅,一个人能从偏微分方程的解中学到多少?,2022年,arXiv预印arXiv:2204.04602
[29] 长,Z。;Lu,Y。;马,X。;Dong,B.,《PDE-Net:从数据中学习pdes》,(机器学习国际会议,2018年,PMLR),3208-3216
[30] 长,Z。;Lu,Y。;Dong,B.,PDE-Net 2.0:使用数字符号混合深度网络从数据中学习PDE,J.Compute。物理。,第399条,第108925页,2019年·Zbl 1454.65131号
[31] 哈姆齐,B。;Owhadi,H.,《从数据学习动力系统:一个简单的交叉验证视角》,第一部分:参数核流,Physica D,421,Article 132817 pp.,2021·Zbl 1509.68217号
[32] 达西,M。;哈姆齐,B。;苏西洛托,J。;Braverman,A。;Owhadi,H.,《从数据学习动力系统:一个简单的交叉验证视角》,第二部分:非参数核流,2021年
[33] Lee,J。;De Brouwer,E。;哈姆齐,B。;Owhadi,H.,《从数据中学习动力系统:一个简单的交叉验证视角》,第三部分:不规则采样时间序列,Physica D,443,Article 133546 pp.,2023·兹比尔1510.37122
[34] 哈姆齐,B。;奥瓦迪,H。;Kevrekidis,Y.,《从数据学习动力系统:一个简单的交叉验证视角》,第四部分:部分观测案例,《物理学D》,第133853页,2023年·Zbl 07736383号
[35] Yang,L.等人。;太阳,X。;哈姆齐,B。;奥瓦迪,H。;Xie,N.,《从数据学习动力系统:一个简单的交叉验证视角》,第五部分:132个混沌动力系统的稀疏核流,2023年,arXiv预印本arXiv:2301.10321
[36] Yang,L.等人。;哈姆齐,B。;Kevrekidis,Y。;奥瓦迪,H。;太阳,X。;Xie,N.,从数据学习动力系统:简单的交叉验证视角,第六部分:基于Hausdorff度量的核学习吸引子训练及其在133个混沌动力系统中的应用,2023
[37] Ghanem,R.G。;Spanos,P.D.,《随机有限元:谱方法》,2003年,多佛出版社
[38] Xiu,D.,《随机计算的数值方法:谱方法方法》,2010年,普林斯顿大学出版社·Zbl 1210.65002号
[39] 科恩,A。;DeVore,R.,高维参数偏微分方程的近似,数值学报。,24, 1-159, 2015 ·Zbl 1320.65016号
[40] 赫塞文,J.S。;Rozza,G。;Stamm,B.,参数化偏微分方程的认证简化基方法,2016年,Springer·Zbl 1329.65203号
[41] 露西娅·D·J。;P.S.Beran。;Silva,W.A.,《降阶建模:计算物理的新方法》,Prog。Aerosp.航空公司。科学。,40, 1-2, 51-117, 2004
[42] 贝克,J。;丹蓬,R。;Nobile,F。;Tamellini,L.,《利用Galerkin和配置方法对随机偏微分方程进行最优多项式逼近》,Math。模型方法应用。科学。,2012年9月22日,第1250023条·Zbl 1262.65009号
[43] Chkifa,A。;科恩,A。;DeVore,R。;Schwab,C.,参数和随机椭圆偏微分方程的稀疏自适应泰勒近似算法,ESAIM Math。模型。数字。分析。,47, 1, 253-280, 2012 ·Zbl 1273.65009号
[44] Chkifa,A。;科恩,A。;Schwab,C.,高维自适应稀疏多项式插值及其在参数偏微分方程中的应用,Found。计算。数学。,14, 4, 601-633, 2014 ·兹比尔1298.65022
[45] Nobile,F。;丹蓬,R。;Webster,C.G.,《具有随机输入数据的偏微分方程的稀疏网格随机配置方法》,SIAM J.Numer。分析。,46, 5, 2309-2345, 2008 ·Zbl 1176.65137号
[46] Nobile,F。;丹蓬,R。;Webster,C.G.,《具有随机输入数据的偏微分方程的各向异性稀疏网格随机配置方法》,SIAM J.Numer。分析。,46, 5, 2411-2442, 2008 ·Zbl 1176.65007号
[47] Gunzburger,医学博士。;韦伯斯特,C.G。;Zhang,G.,具有随机输入数据的偏微分方程的随机有限元方法,Acta Numer。,23, 521-650, 2014 ·Zbl 1398.65299号
[48] A.Anandkumar,K.Azizzadenesheli,K.Bhattacharya,N.Kovachki,Z.Li,B.Liu,A.Stuart,《神经算子:偏微分方程的图形核网络》,收录于:ICLR 2020深度神经模型和微分方程集成研讨会,2020年。
[49] 陈,Y。;侯赛尼,B。;奥瓦迪,H。;Stuart,A.M.,用高斯过程求解和学习非线性偏微分方程,J.Compute。物理。,第447条,第110668页,2021年·Zbl 07516428号
[50] 莱斯,M。;佩迪卡里斯,P。;Karniadakis,H.,《基于物理的神经网络:解决非线性偏微分方程正问题和逆问题的深度学习框架》,J.Compute。物理。,378, 686-707, 2019 ·Zbl 1415.68175号
[51] 抖动,C。;Wahlström,N。;Wills,A。;Schön,T.B.,线性约束高斯过程,高级神经信息过程。系统。,30, 2017
[52] 施密特,J。;Krämer,北卡罗来纳州。;Hennig,P.,从微分方程和数据联合推断的概率状态空间模型,高级神经信息处理。系统。,34, 12374-12385, 2021
[53] M.古利安。;Frankel,A。;Swiler,L.,受边值问题约束的高斯过程回归,计算。方法应用。机械。工程,388,第114117条,第2022页·Zbl 1507.62232号
[54] 张,S。;杨,X。;Tindel,S。;Lin,G.,《增强高斯随机场:理论与计算》,《离散Contin》。动态。系统。S、 2022年4月15日,931日·Zbl 1492.60091号
[55] Krämer,N。;博世,N。;施密特,J。;Hennig,P.,《百万维概率ODE解决方案》(机器学习国际会议,2022年,PMLR),11634-11649
[56] A.Besginow,M.Lange-Hegermann,《将高斯过程约束到线性常微分方程系统》,载《神经信息处理系统的进展》。
[57] 莱斯,M。;佩迪卡里斯,P。;Karniadakis,G.E.,使用高斯过程的线性微分方程机器学习,J.Compute。物理。,348, 683-693, 2017 ·Zbl 1380.68339号
[58] 牟,C。;杨,X。;周,C.,基于高斯过程和傅里叶特征的平均场博弈的数值方法,J.Compute。物理。,第460条,第111188页,2022年·兹伯利07525161
[59] Evans,L.C.,偏微分方程,2010,AMS·Zbl 1194.35001号
[60] Berlinet,A。;Thomas-Agnan,C.,《概率统计中的核希尔伯特空间再现》,2011年,施普林格科学与商业媒体
[61] Schölkopf,B。;Smola,A.J.,《使用内核学习:支持向量机、正则化、优化及其他》,麻省理工学院出版社,2002年
[62] 奥瓦迪,H。;Scovel,C.,《算子自适应小波、快速解算器和数值均匀化:从博弈论方法到数值逼近和算法设计》,2019年,剑桥大学出版社·Zbl 1477.65004号
[63] Muandet,K。;Fukumizu,K。;Sriperumbudur,B。;Schölkopf,B.,《内核意味着发行版的嵌入:回顾与超越》,Found。趋势马赫数。学习。,10, 1-2, 1-141, 2017 ·Zbl 1380.68336号
[64] Genton,M.G.,《机器学习的内核类:统计视角》,J.Mach。学习。2001年12月299-312日第2号决议·Zbl 1037.68113号
[65] 威廉姆斯,C。;Rasmussen,C.,回归的高斯过程,高级神经信息过程。系统。,8, 1995
[66] Sundararajan,S。;Keerthi,S.,在高斯过程中选择超参数的预测应用方法,高级神经Inf.过程。系统。,12, 1999
[67] Tipping,M.E。;Bishop,C.M.,概率主成分分析,J.R.Stat.Soc.Ser。《美国统计年鉴》。,61, 3, 611-622, 1999 ·Zbl 0924.62068号
[68] 阿梅利,S。;Shadden,S.C.,高斯过程回归中的噪声估计,2022年,arXiv预印本arXiv:2206.09976
[69] 卢,L。;X孟。;蔡,S。;毛,Z。;Goswami,S。;张,Z。;Karniadakis,G.E.,基于公平数据的两个神经运算符(带实际扩展)的全面公平比较,计算。方法应用。机械。工程,第393页,第114778条,2022页·Zbl 1507.65050号
[70] 马,C。;Wu,L.,神经网络模型的Barron空间和流诱导函数空间,Constr。约551369-4062022·Zbl 1490.65020号
[71] 美国法塞尔。;库茨,J.N。;布伦顿,B.W。;Brunton,S.L.,Ensemble-SINDy:低数据、高噪声极限下的稳健稀疏模型发现,具有主动学习和控制,Proc。R.Soc.伦敦。序列号。数学。物理学。工程科学。,4782260,第20210904条,第2022页
[72] 李,Z。;科瓦奇奇,N。;Azizzadenesheli,K。;刘,B。;Stuart,A。;巴塔查里亚,K。;Anandkumar,A.,参数偏微分方程的多极图神经算子,高级神经信息处理。系统。,33, 6755-6766, 2020
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