Let $P$ be a linear differential operator over $\mathcal{D} \subset \mathbb{R}^d$ and $U = (U_x)_{x \in \mathcal{D}}$ a second order stochastic process. In the first part of this article, we prove a new simple necessary and sufficient condition for all the trajectories of $U$ to verify the partial differential equation (PDE) $T(U) = 0$. This condition is formulated in terms of the covariance kernel of $U$. The novelty of this result is that the equality $T(U) = 0$ is understood in the sense of distributions, which is a functional analysis framework particularly adapted to the study of PDEs. This theorem provides precious insights during the second part of this article, which is dedicated to performing "physically informed" machine learning on data that is solution to the homogeneous 3 dimensional free space wave equation. We perform Gaussian Process Regression (GPR) on this data, which is a kernel based Bayesian approach to machine learning. To do so, we put Gaussian process (GP) priors over the wave equation's initial conditions and propagate them through the wave equation. We obtain explicit formulas for the covariance kernel of the corresponding stochastic process; this kernel can then be used for GPR. We explore two particular cases : the radial symmetry and the point source. For the former, we derive convolution-free GPR formulas; for the latter, we show a direct link between GPR and the classical triangulation method for point source localization used e.g. in GPS systems. Additionally, this Bayesian framework gives rise to a new answer for the ill-posed inverse problem of reconstructing initial conditions for the wave equation with finite dimensional data, and simultaneously provides a way of estimating physical parameters from this data as in [Raissi et al,2017]. We finish by showcasing this physically informed GPR on a number of practical examples.


翻译:让 $P$ 成为 $\ mathcal{D}\ subset\ mathbb{R ⁇ d$ 和 $U = (U_x)\ mathcal{D ⁇ $ 的线性差运算器。 在本文章的第一部分, 我们证明这是一个新的简单的必要和充分的条件, 用于校验部分差异方程( PDE) $20 (U) = 0美元。 这个条件是以 $U 的共变方程计算。 这个结果的新颖在于, 以 $( U) 和 $U = (U) = (U_x) 和 $U = (U_x) = 0 = (U_x) = Gathcalcal schacal process 。 这是一个功能性分析框架, 特别是用于对 PDES的研究。 这篇文章的第二部分, 它提供了宝贵的洞洞洞洞洞洞洞洞洞洞的机器学习数据, 用来了解这个数据。

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