In this paper, we develop a fast and accurate pseudospectral method to approximate numerically the fractional Laplacian $(-\Delta)^{\alpha/2}$ of a function on $\mathbb{R}$ for $\alpha=1$; this case, commonly referred to as the half Laplacian, is equivalent to the Hilbert transform of the derivative of the function. The main ideas are as follows. Given a twice continuously differentiable bounded function $u\in \mathit{C}_b^2(\mathbb{R})$, we apply the change of variable $x=L\cot(s)$, with $L>0$ and $s\in[0,\pi]$, which maps $\mathbb{R}$ into $[0,\pi]$, and denote $(-\Delta)_s^{1/2}u(x(s)) \equiv (-\Delta)^{1/2}u(x)$. Therefore, by performing a Fourier series expansion of $u(x(s))$, the problem is reduced to computing $(-\Delta)_s^{1/2}e^{iks} \equiv (-\Delta)^{1/2}(x + i)^k/(1+x^2)^{k/2}$. On a previous work, we considered the case with $k$ even and $\alpha\in(0,2)$, so we focus now on the case with $k$ odd. More precisely, we express $(-\Delta)_s^{1/2}e^{iks}$ for $k$ odd in terms of the Gaussian hypergeometric function ${}_2F_1$, and also as a well-conditioned finite sum. Then, we use a fast convolution result, that enable us to compute very efficiently $\sum_{l = 0}^Ma_l(-\Delta)_s^{1/2}e^{i(2l+1)s}$, for extremely large values of $M$. This enables us to approximate $(-\Delta)_s^{1/2}u(x(s))$ in a fast and accurate way, especially when $u(x(s))$ is not periodic of period $\pi$.


翻译:本文提出一种快速且精确的伪谱方法,用于数值逼近定义在实数集 $\mathbb{R}$ 上的函数在 $\alpha=1$ 情形下的分数阶拉普拉斯算子 $(-\Delta)^{\alpha/2}$;这一情形通常称为半拉普拉斯算子,等价于函数导数的希尔伯特变换。主要思路如下:给定一个二次连续可微且有界函数 $u\in \mathit{C}_b^2(\mathbb{R})$,我们应用变量变换 $x=L\cot(s)$,其中 $L>0$、$s\in[0,\pi]$,该变换将 $\mathbb{R}$ 映射至区间 $[0,\pi]$,并记 $(-\Delta)_s^{1/2}u(x(s)) \equiv (-\Delta)^{1/2}u(x)$。因此,通过对 $u(x(s))$ 进行傅里叶级数展开,问题被简化为计算 $(-\Delta)_s^{1/2}e^{iks} \equiv (-\Delta)^{1/2}(x + i)^k/(1+x^2)^{k/2}$。在前期工作中,我们已考虑 $k$ 为偶数且 $\alpha\in(0,2)$ 的情形,故本文重点关注 $k$ 为奇数的情形。具体而言,我们利用高斯超几何函数 ${}_2F_1$ 将 $k$ 为奇数时的 $(-\Delta)_s^{1/2}e^{iks}$ 表达为解析形式,同时给出良态有限和表达式。接着,我们采用快速卷积算法,使得对于极大数值 $M$ 的情形,能够高效计算 $\sum_{l = 0}^Ma_l(-\Delta)_s^{1/2}e^{i(2l+1)s}$。该方法可快速且精确地逼近 $(-\Delta)_s^{1/2}u(x(s))$,尤其适用于 $u(x(s))$ 不以 $\pi$ 为周期的情形。

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/
不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
78+阅读 · 2019年10月10日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9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
ICLR2019最佳论文出炉
专知
12+阅读 · 2019年5月6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
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2017年12月31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
0+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
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
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年7月28日
Arxiv
0+阅读 · 2023年7月27日
VIP会员
最新内容
ICML 2026 | CFPO:用反事实策略优化提升多模态推理
专知会员服务
1+阅读 · 今天14:45
综述 | 世界动作模型:少做梦,多行动
专知会员服务
1+阅读 · 今天14:43
美以伊冲突:无人机与人工智能的运用
专知会员服务
3+阅读 · 今天14:31
《特种部队在透明战场中的生存力》最新报告
专知会员服务
2+阅读 · 今天14:11
《人工智能生成的零日漏洞:对未来作战的影响》
综述 | 3D场景图:开放挑战与未来方向
专知会员服务
8+阅读 · 6月22日
21世纪的无人机战争
专知会员服务
4+阅读 · 6月22日
《量子技术的军事任务技术适配与利用》
专知会员服务
5+阅读 · 6月22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
ICLR2019最佳论文出炉
专知
12+阅读 · 2019年5月6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
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2017年12月31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
0+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
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
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员