One of the oldest and most studied subject in scientific computing is algorithms for solving partial differential equations (PDEs). A long list of numerical methods have been proposed and successfully used for various applications. In recent years, deep learning methods have shown their superiority for high-dimensional PDEs where traditional methods fail. However, for low dimensional problems, it remains unclear whether these methods have a real advantage over traditional algorithms as a direct solver. In this work, we propose the random feature method (RFM) for solving PDEs, a natural bridge between traditional and machine learning-based algorithms. RFM is based on a combination of well-known ideas: 1. representation of the approximate solution using random feature functions; 2. collocation method to take care of the PDE; 3. the penalty method to treat the boundary conditions, which allows us to treat the boundary condition and the PDE in the same footing. We find it crucial to add several additional components including multi-scale representation and rescaling the weights in the loss function. We demonstrate that the method exhibits spectral accuracy and can compete with traditional solvers in terms of both accuracy and efficiency. In addition, we find that RFM is particularly suited for complex problems with complex geometry, where both traditional and machine learning-based algorithms encounter difficulties.


翻译:在科学计算中,最古老和研究最多的学科之一是解决部分差异方程的算法(PDEs) 。 已经提出并成功地为各种应用采用了一长串数字方法。 近年来,深层次的学习方法表明,在传统方法失败的地方,高层次的PDEs具有优越性。然而,对于低层次的问题,仍然不清楚这些方法是否真正优于作为直接解答者的传统算法。在这项工作中,我们提出了解决部分差异方程的随机特征方法(RFM),这是传统和机器学习方程之间的天然桥梁。RFM是建立在众所周知的各种观点的组合基础上的:1. 使用随机特性功能代表近似的解决办法;2. 使用合用方法来照顾PDE;3. 处理边界条件的罚款方法,使我们能在同一基础上处理边界条件和PDE。我们认为,关键是要增加几个额外的组成部分,包括多尺度的表示和调整损失函数的重量。我们证明,该方法显示光谱的准确性,并且可以在精确和效率两方面与传统解答器进行竞争。此外,我们发现,在复杂的地球-调算法上都特别适合复杂的困难。

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