The numerical solution of differential equations can be formulated as an inference problem to which formal statistical approaches can be applied. However, nonlinear partial differential equations (PDEs) pose substantial challenges from an inferential perspective, most notably the absence of explicit conditioning formula. This paper extends earlier work on linear PDEs to a general class of initial value problems specified by nonlinear PDEs, motivated by problems for which evaluations of the right-hand-side, initial conditions, or boundary conditions of the PDE have a high computational cost. The proposed method can be viewed as exact Bayesian inference under an approximate likelihood, which is based on discretisation of the nonlinear differential operator. Proof-of-concept experimental results demonstrate that meaningful probabilistic uncertainty quantification for the unknown solution of the PDE can be performed, while controlling the number of times the right-hand-side, initial and boundary conditions are evaluated. A suitable prior model for the solution of the PDE is identified using novel theoretical analysis of the sample path properties of Mat\'{e}rn processes, which may be of independent interest.


翻译:差异方程式的数值解决办法可以作为一个推论问题来拟订,以便采用正式的统计方法。然而,非线性部分方程式(PDEs)从推论角度提出了巨大的挑战,最明显的是缺乏明确的限定公式。本文将线性PDE的早期工作扩大到非线性PDE规定的一般初步价值问题类别,其原因为对右侧、初始条件或PDE边界条件的评价具有很高的计算成本的问题。拟议的方法可视为一种近似可能性的精确贝斯式推论,其依据是非线性差运算者的离散。概念对比实验结果表明,可以对未知的PDE解决方案进行有意义的概率不确定性量化,同时对右侧、初始条件和边界条件的多少次进行评价。利用对可能具有独立利益的Mat\'{e}rn过程的样本路径特性进行新的理论分析,确定了解决PDE的适当先前模式。

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