In this article, we propose a numerical method based on sparse Gaussian processes (SGPs) to solve nonlinear partial differential equations (PDEs). The SGP algorithm is based on a Gaussian process (GP) method, which approximates the solution of a PDE with the maximum a posteriori probability estimator of a GP conditioned on the PDE evaluated at a finite number of sample points. The main bottleneck of the GP method lies in the inversion of a covariance matrix, whose cost grows cubically with respect to the size of samples. To improve the scalability of the GP method while retaining desirable accuracy, we draw inspiration from SGP approximations, where inducing points are introduced to summarize the information of samples. More precisely, our SGP method uses a Gaussian prior associated with a low-rank kernel generated by inducing points randomly selected from samples. In the SGP method, the size of the matrix to be inverted is proportional to the number of inducing points, which is much less than the size of the samples. The numerical experiments show that the SGP method using less than half of the uniform samples as inducing points achieves comparable accuracy to the GP method using the same number of uniform samples, which significantly reduces the computational cost. We give the existence proof for the approximation to the solution of a PDE and provide rigorous error analysis.


翻译:在本篇文章中,我们提出了一个基于稀疏高斯进程(SGPs)的数字方法,以解决非线性部分方程(PDEs)问题。SGP算法基于一个高斯进程(GP)方法,该方法近似于PDE的解决方案,其最大外生概率估计值以PDE在有限数量的抽样点进行评估的GP值为条件。GP方法的主要瓶颈在于颠倒一个共变矩阵,其成本与样品大小成异地增长。为了提高GP方法的可缩放性,同时保持可取的准确性,我们从SGP近似方法(GPs)中汲取灵感,在其中引入导出点以汇总样品信息。更准确地说,我们的SGP方法使用一个以前与从抽样中随机选取的点产生的低内核相联的高素。在SGP方法中,要倒转的矩阵大小与引点数成比例成正比,这远远小于样品的大小,我们从数字实验中提取了SGPGP方法的精确度,而我们用同一的精确性方法使样本的精确度降低了我们采用的统一的精确度。

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欧洲几何学研讨会(SGP)是传播几何学 新研究思想和前沿成果的重要场所。在此研究领域中,对数学、计算机科学和工程学的概念进行了研究和应用,以提供新的见解并为3D模型和形状集合的处理、建模、分析、操纵、仿真和其他类型的处理设计高效的算法。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/conf/sgp/
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