Combining the classical theory of optimal transport with modern operator splitting techniques, we develop a new numerical method for nonlinear, nonlocal partial differential equations, arising in models of porous media, materials science, and biological swarming. Our method proceeds as follows: First, we discretize in time, either via the classical JKO scheme or via a novel Crank-Nicolson type method we introduce. Next, we use the Benamou-Brenier dynamical characterization of the Wasserstein distance to reduce computing the solution of the discrete time equations to solving fully discrete minimization problems, with strictly convex objective functions and linear constraints. Third, we compute the minimizers by applying a recently introduced, provably convergent primal dual splitting scheme for three operators [Yan 2018]. By leveraging the PDEs' underlying variational structure, our method overcomes stability issues present in previous numerical work built on explicit time discretizations, which suffer due to the equations' strong nonlinearities and degeneracies. Our method is also naturally positivity and mass preserving and, in the case of the JKO scheme, energy decreasing. We prove that minimizers of the fully discrete problem converge to minimizers of the spatially continuous, discrete time problem as the spatial discretization is refined. We conclude with simulations of nonlinear PDEs and Wasserstein geodesics in one and two dimensions that illustrate the key properties of our approach, including higher order convergence our novel Crank-Nicolson type method, when compared to the classical JKO method.


翻译:将最佳运输的经典理论与现代运营商分解技术相结合,我们为非线性、非局部部分差异方程式开发了一种新的数字方法,这些方程式产生于松散媒体、材料科学和生物升温的模型中。我们的方法如下:首先,我们通过古典JKO计划或通过我们引入的新型Crank-Nicolson类型方法,在时间上分解时间,我们用Benamoou-Brenier对瓦塞斯坦距离的动态定性来减少计算离散时间方程式的解决方案,以解决完全离散的最小化问题,并具有严格的 convex客观功能和线性限制。第三,我们通过对三个运营商采用最近引入的、可察觉的趋同性原始双分解方案[Yan 2018],来计算最小化最小化的最小化。我们的方法通过利用PDEs的基本变异性结构,克服了先前在明确时间分解基础上存在的稳定性问题,由于等式方法的强非线性和异性化而受损。我们的方法也是自然化的和质量保存和质量,而在JKO计划的一个地平流化的地球级方案中,我们最接近的精确的精细的精确的精确度方法,我们证明,我们最接近的精确的精确的精确的精确度是最小化方法。

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