We introduce a simple, rigorous, and unified framework for solving nonlinear partial differential equations (PDEs), and for solving inverse problems (IPs) involving the identification of parameters in PDEs, using the framework of Gaussian processes. The proposed approach: (1) provides a natural generalization of collocation kernel methods to nonlinear PDEs and IPs; (2) has guaranteed convergence for a very general class of PDEs, and comes equipped with a path to compute error bounds for specific PDE approximations; (3) inherits the state-of-the-art computational complexity of linear solvers for dense kernel matrices. The main idea of our method is to approximate the solution of a given PDE as the maximum a posteriori (MAP) estimator of a Gaussian process conditioned on solving the PDE at a finite number of collocation points. Although this optimization problem is infinite-dimensional, it can be reduced to a finite-dimensional one by introducing additional variables corresponding to the values of the derivatives of the solution at collocation points; this generalizes the representer theorem arising in Gaussian process regression. The reduced optimization problem has the form of a quadratic objective function subject to nonlinear constraints; it is solved with a variant of the Gauss--Newton method. The resulting algorithm (a) can be interpreted as solving successive linearizations of the nonlinear PDE, and (b) in practice is found to converge in a small number of iterations (2 to 10), for a wide range of PDEs. Most traditional approaches to IPs interleave parameter updates with numerical solution of the PDE; our algorithm solves for both parameter and PDE solution simultaneously. Experiments on nonlinear elliptic PDEs, Burgers' equation, a regularized Eikonal equation, and an IP for permeability identification in Darcy flow illustrate the efficacy and scope of our framework.


翻译:我们引入了一个简单、严格和统一的框架, 以解决非线性部分差异方程式( PDEs), 并解决反向问题( IPs), 包括使用 Gaussian 进程框架来识别 PDEs 中的参数。 提议的方法是:(1) 为非线性 PDEs 和 IPs 提供对合用内内内内核内核方法的自然概括化配置; (2) 保证了非常普通的 PDE 类的趋同性, 并配有一个路径来计算具体的 PDE 近似值的错误界限; (3) 继承了密度内核内核基质的线性解决方案的状态计算复杂度( IP) 。 我们的方法的主要想法是近似给定的 PDE 的解决方案, 将给定内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核流的内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内

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