Fractional diffusion equations have been an effective tool for modeling anomalous diffusion in complicated systems. However, traditional numerical methods require expensive computation cost and storage resources because of the memory effect brought by the convolution integral of time fractional derivative. We propose a Bayesian Inversion with Neural Operator (BINO) to overcome the difficulty in traditional methods as follows. We employ a deep operator network to learn the solution operators for the fractional diffusion equations, allowing us to swiftly and precisely solve a forward problem for given inputs (including fractional order, diffusion coefficient, source terms, etc.). In addition, we integrate the deep operator network with a Bayesian inversion method for modelling a problem by subdiffusion process and solving inverse subdiffusion problems, which reduces the time costs (without suffering from overwhelm storage resources) significantly. A large number of numerical experiments demonstrate that the operator learning method proposed in this work can efficiently solve the forward problems and Bayesian inverse problems of the subdiffusion equation.


翻译:分形扩散方程式一直是在复杂系统中模拟异常扩散的有效工具,然而,传统的数字方法需要昂贵的计算成本和存储资源,因为时间分数衍生物的卷积产生的内存效应。我们提议与神经操作员(BINO)一起进行巴伊西亚反向转换,以克服以下传统方法的困难。我们使用深层操作员网络学习分形扩散方程式的解决方案操作员,使我们能够迅速和准确地解决某些投入(包括分序、扩散系数、源术语等)的远期问题。此外,我们还将深层操作员网络与巴耶斯反向转换法结合起来,通过子扩散过程和解决反向次子扩散问题来模拟问题,从而大大降低时间成本(而不受过度储存资源的影响 ) 。大量的数字实验表明,这项工作中提议的操作员学习方法能够有效解决子子扩散方程式的远期问题和巴耶斯反向问题。

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