We present a rigorous convergence analysis for cylindrical approximations of nonlinear functionals, functional derivatives, and functional differential equations (FDEs). The purpose of this analysis is twofold: first, we prove that continuous nonlinear functionals, functional derivatives and FDEs can be approximated uniformly on any compact subset of a real Banach space admitting a basis by high-dimensional multivariate functions and high-dimensional partial differential equations (PDEs), respectively. Second, we show that the convergence rate of such functional approximations can be exponential, depending on the regularity of the functional (in particular its Fr\'echet differentiability), and its domain. We also provide necessary and sufficient conditions for consistency, stability and convergence of cylindrical approximations to linear FDEs. These results open the possibility to utilize numerical techniques for high-dimensional systems such as deep neural networks and numerical tensor methods to approximate nonlinear functionals in terms of high-dimensional functions, and compute approximate solutions to FDEs by solving high-dimensional PDEs. Numerical examples are presented and discussed for prototype nonlinear functionals and for an initial value problem involving a linear FDE.


翻译:我们对非线性功能、功能衍生物和功能差异方程的圆柱形近似值进行了严格的趋同分析。本分析的目的是双重的:首先,我们证明连续的非线性功能、功能衍生物和FDEs可以在真正的Banach空间的任何紧凑子集上一致地相近,其中分别接受高维多变量函数和高维部分差异方程的基础。第二,我们表明,这种功能近似值的趋同率可以指数化,取决于功能的规律性(特别是其Fr\'echet可变性)及其领域。我们还为圆柱形近似值与线性FDEs的一致性、稳定性和趋同性提供了必要和充分的条件。这些结果为高维系统提供了利用数字技术的可能性,如深线性网络和数字阵列方法,以近似高维功能的非线性功能,并通过解决高维PDEs对FDEs的近似性解决方案进行比较。为非线性功能原型模型和非线性直径直线性提供了数字示例,并讨论。

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