We present a framework for solving time-dependent partial differential equations (PDEs) in the spirit of the random feature method. The numerical solution is constructed using a space-time partition of unity and random feature functions. Two different ways of constructing the random feature functions are investigated: feature functions that treat the spatial and temporal variables (STC) on the same footing, or functions that are the product of two random feature functions depending on spatial and temporal variables separately (SoV). Boundary and initial conditions are enforced by penalty terms. We also study two ways of solving the resulting least-squares problem: the problem is solved as a whole or solved using the block time-marching strategy. The former is termed ``the space-time random feature method'' (ST-RFM). Numerical results for a series of problems show that the proposed method, i.e. ST-RFM with STC and ST-RFM with SoV, have spectral accuracy in both space and time. In addition, ST-RFM only requires collocation points, not a mesh. This is important for solving problems with complex geometry. We demonstrate this by using ST-RFM to solve a two-dimensional wave equation over a complex domain. The two strategies differ significantly in terms of the behavior in time. In the case when block time-marching is used, we prove a lower error bound that shows an exponentially growing factor with respect to the number of blocks in time. For ST-RFM, we prove an upper bound with a sublinearly growing factor with respect to the number of subdomains in time. These estimates are also confirmed by numerical results.


翻译:我们提出了一种在随机特征方法的框架下解决时变偏微分方程(PDE)的方法。数值解是利用空间-时间分割和随机特征函数构建的。我们研究了构造随机特征函数的两种不同方式:将空间和时间变量(STC)同等对待的特征函数,或者是空间和时间变量分别作为两个独立的特征函数的乘积的函数(SoV)。通过代价项强制执行边界和初始条件。我们还研究了解决由此产生的最小二乘问题的两种方法:作为一个整体解决问题,或者使用块时间步进策略解决问题。前者被称为“空间-时间随机特征方法”(ST-RFM)。一系列问题的数值结果表明,所提出的方法,即ST-RFM和ST-RFM with SoV,在空间和时间上都具有谱精度。此外,ST-RFM只需要对准点进行离散,而不需要网格。这对于解决具有复杂几何形状的问题非常重要。我们通过使用ST-RFM来解决复杂域上的二维波动方程来证明这一点。两种策略在时间上的行为差异很大。在使用块时间步进的情况下,我们证明了一个下界误差,该误差随着时间块数指数增长。对于ST-RFM,我们证明了一个上界误差,该误差随着时间子域数量的亚线性增长。这些估计也得到了数值实验的确认。

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