High-dimensional Partial Differential Equations (PDEs) are a popular mathematical modelling tool, with applications ranging from finance to computational chemistry. However, standard numerical techniques for solving these PDEs are typically affected by the curse of dimensionality. In this work, we tackle this challenge while focusing on stationary diffusion equations defined over a high-dimensional domain with periodic boundary conditions. Inspired by recent progress in sparse function approximation in high dimensions, we propose a new method called compressive Fourier collocation. Combining ideas from compressive sensing and spectral collocation, our method replaces the use of structured collocation grids with Monte Carlo sampling and employs sparse recovery techniques, such as orthogonal matching pursuit and $\ell^1$ minimization, to approximate the Fourier coefficients of the PDE solution. We conduct a rigorous theoretical analysis showing that the approximation error of the proposed method is comparable with the best $s$-term approximation (with respect to the Fourier basis) to the solution. Using the recently introduced framework of random sampling in bounded Riesz systems, our analysis shows that the compressive Fourier collocation method mitigates the curse of dimensionality with respect to the number of collocation points under sufficient conditions on the regularity of the diffusion coefficient. We also present numerical experiments that illustrate the accuracy and stability of the method for the approximation of sparse and compressible solutions.


翻译:在这项工作中,我们应对这一挑战,同时将注意力集中在一个具有定期边界条件的高维域定义的固定扩散方程式上。我们受到高维功能接近高维方面最近取得的进展的启发,提出了一个新的方法,称为压缩式Fourier同位法。我们采用的方法将压缩式感测和光谱同位法中的想法结合起来,用蒙特卡洛取样取代结构化合用网格,并采用稀有的恢复技术,如正方位匹配和美元最小化,以近似PDE解决方案的四维系数。我们进行了严格的理论分析,表明拟议方法的近似误差与最高维度中最接近(四维法)的近似于解决方案。我们利用最近推出的在约束式Riesz系统中随机采样的框架,我们的分析表明,在常规基调方法中,压缩四级同位法的精确度也降低了目前稳定度的基数,从而降低了我们目前稳定度的基数的基数。

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