In this article, we propose two numerical methods, the Gaussian Process (GP) method and the Fourier Features (FF) algorithm, to solve mean field games (MFGs). The GP algorithm approximates the solution of a MFG with maximum a posteriori probability estimators of GPs conditioned on the partial differential equation (PDE) system of the MFG at a finite number of sample points. The main bottleneck of the GP method is to compute the inverse of a square gram matrix, whose size is proportional to the number of sample points. To improve the performance, we introduce the FF method, whose insight comes from the recent trend of approximating positive definite kernels with random Fourier features. The FF algorithm seeks approximated solutions in the space generated by sampled Fourier features. In the FF method, the size of the matrix to be inverted depends only on the number of Fourier features selected, which is much less than the size of sample points. Hence, the FF method reduces the precomputation time, saves the memory, and achieves comparable accuracy to the GP method. We give the existence and the convergence proofs for both algorithms. The convergence argument of the GP method does not depend on the Lasry-Lions monotonicity condition, which suggests the potential applications of the GP method to solve MFGs with non-monotone couplings in future work. We show the efficacy of our algorithms through experiments on a stationary MFG with a non-local coupling and on a time-dependent planning problem. We believe that the FF method can also serve as an alternative algorithm to solve general PDEs.


翻译:在本篇文章中,我们提出了两种数字方法,即Gausian进程(GP)法和Fourier地貌算法(FF)算法,以解决平均场游戏。GP算法接近MFG的解决方案,而GP测算法以MFG的局部差分方程(PDE)系统为限定的抽样点为条件。GP方法的主要瓶颈是计算一个平方格矩阵的反向,其大小与抽样点的数量成比例。为了改进性能,我们引入了FF方法,其精度来自最近以随机的Fourier特性接近正确定内核的近似趋势。FF算法在抽样的Fourier特性产生的空间中寻求近似的解决办法。在FF方法中,要倒转的矩阵大小仅取决于所选的Fourier特性的数量,这远远低于抽样点的大小。因此,FF方法降低了非剖析前时间,从而节省了GPMF的精确度, 并且使GFal-G方法具有了未来的精确度。WeG方法也显示了我们G方法的精确性。

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