Recent advances in the theory of Neural Operators (NOs) have enabled fast and accurate computation of the solutions to complex systems described by partial differential equations (PDEs). Despite their great success, current NO-based solutions face important challenges when dealing with spatio-temporal PDEs over long time scales. Specifically, the current theory of NOs does not present a systematic framework to perform data assimilation and efficiently correct the evolution of PDE solutions over time based on sparsely sampled noisy measurements. In this paper, we propose a learning-based state-space approach to compute the solution operators to infinite-dimensional semilinear PDEs. Exploiting the structure of semilinear PDEs and the theory of nonlinear observers in function spaces, we develop a flexible recursive method that allows for both prediction and data assimilation by combining prediction and correction operations. The proposed framework is capable of producing fast and accurate predictions over long time horizons, dealing with irregularly sampled noisy measurements to correct the solution, and benefits from the decoupling between the spatial and temporal dynamics of this class of PDEs. We show through experiments on the Kuramoto-Sivashinsky, Navier-Stokes and Korteweg-de Vries equations that the proposed model is robust to noise and can leverage arbitrary amounts of measurements to correct its prediction over a long time horizon with little computational overhead.


翻译:近年来,神经算子理论的最新进展使得快速、精确计算由偏微分方程描述的复杂系统解成为可能。尽管取得了巨大成功,当前基于神经算子的解决方案在处理长时间尺度的时空偏微分方程时仍面临重要挑战。具体而言,现有神经算子理论并未提供进行数据同化的系统化框架,也无法基于稀疏采样的含噪观测有效修正偏微分方程解随时间演化的过程。本文提出一种基于学习的状态空间方法,用于计算无限维半线性偏微分方程的解算子。通过利用半线性偏微分方程的结构特性以及函数空间中非线性观测器理论,我们开发了一种灵活的递归方法,该方法通过结合预测与修正操作,同时支持预测与数据同化。所提出的框架能够对长时间跨度实现快速精确的预测,处理非规则采样的含噪观测数据以修正解,并受益于该类偏微分方程空间与时间动力学的解耦特性。通过在Kuramoto-Sivashinsky方程、Navier-Stokes方程和Korteweg-de Vries方程上的实验表明,所提模型对噪声具有鲁棒性,且能以极小的计算开销利用任意数量的观测数据在长时间跨度上修正其预测结果。

0
下载
关闭预览

相关内容

FAST:Conference on File and Storage Technologies。 Explanation:文件和存储技术会议。 Publisher:USENIX。 SIT:http://dblp.uni-trier.de/db/conf/fast/
Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
70+阅读 · 2022年6月30日
Arxiv
35+阅读 · 2021年1月27日
Anomalous Instance Detection in Deep Learning: A Survey
Arxiv
16+阅读 · 2020年2月6日
VIP会员
最新内容
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
8+阅读 · 6月17日
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
10+阅读 · 6月17日
从燃煤战舰到算法战争:水面指挥的永恒要求
专知会员服务
6+阅读 · 6月17日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员