Partial differential equations (PDEs) are widely used for description of physical and engineering phenomena. Some key parameters involved in PDEs, which represents certain physical properties with important scientific interpretations, are difficult or even impossible to be measured directly. Estimation of these parameters from noisy and sparse experimental data of related physical quantities is an important task. Many methods for PDE parameter inference involve a large number of evaluations of numerical solution of PDE through algorithms such as finite element method, which can be time-consuming especially for nonlinear PDEs. In this paper, we propose a novel method for estimating unknown parameters in PDEs, called PDE-Informed Gaussian Process Inference (PIGPI). Through modeling the PDE solution as a Gaussian process (GP), we derive the manifold constraints induced by the (linear) PDE structure such that under the constraints, the GP satisfies the PDE. For nonlinear PDEs, we propose an augmentation method that transfers the nonlinear PDE into an equivalent PDE system linear in all derivatives that our PIGPI can handle. PIGPI can be applied to multi-dimensional PDE systems and PDE systems with unobserved components. The method completely bypasses the numerical solver for PDE, thus achieving drastic savings in computation time, especially for nonlinear PDEs. Moreover, the PIGPI method can give the uncertainty quantification for both the unknown parameters and the PDE solution. The proposed method is demonstrated by several application examples from different areas.


翻译:部分差异方程式(PDEs)被广泛用于描述物理和工程现象。PDEs中涉及的一些关键参数代表了某些具有重要科学解释的物理属性,很难甚至无法直接测量。从杂乱和稀少的相关物理数量实验数据中估算这些参数是一项重要任务。PDE参数推论的许多方法涉及通过算法(如有限元素方法,特别是非线性PDEs)对PDE的数值解决方案进行大量评价。在本文中,我们提出了一种新颖的方法,用于估算PDEs中未知参数,称为PDE-Infor化高斯进程推算(PIGPI)。通过模拟PDE解决方案作为高斯进程(GP)的模型,我们得出了(线性)PDE结构(PDE)造成的多重限制,因此,GPDE满足了PDE。对于非线性PDE,我们提出了一种扩大方法,将非线性PDEEDI(非线性PIP)所有衍生工具中的等同的PDE系统线性线性参数,称为PIGPIP(PIPIP-In ),因此,PIPIGPIP-IDE的不甚易地将数字化方法用于不透明化方法,从而实现不透明化的不透明化的多维度的PDU。因此,可以将PDE-cal-cal-cal-deal-colal-colal-cal-calalalal 方法,可以使PI。

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