Linear partial differential equations (PDEs) are an important, widely applied class of mechanistic models, describing physical processes such as heat transfer, electromagnetism, and wave propagation. In practice, specialized numerical methods based on discretization are used to solve PDEs. They generally use an estimate of the unknown model parameters and, if available, physical measurements for initialization. Such solvers are often embedded into larger scientific models with a downstream application such that error quantification plays a key role. However, by ignoring parameter and measurement uncertainty, classical PDE solvers may fail to produce consistent estimates of their inherent approximation error. In this work, we approach this problem in a principled fashion by interpreting solving linear PDEs as physics-informed Gaussian process (GP) regression. Our framework is based on a key generalization of a widely-applied theorem for conditioning GPs on direct measurements to observations made via an arbitrary bounded linear operator. Crucially, this probabilistic viewpoint allows to (1) quantify the inherent discretization error; (2) propagate uncertainty about the model parameters to the solution; and (3) condition on noisy measurements. Demonstrating the strength of this formulation, we prove that it strictly generalizes methods of weighted residuals, a central class of PDE solvers including collocation, finite volume, pseudospectral, and (generalized) Galerkin methods such as finite element and spectral methods. This class can thus be directly equipped with a structured error estimate. In summary, our results enable the seamless integration of mechanistic models as modular building blocks into probabilistic models by blurring the boundaries between numerical analysis and Bayesian inference.


翻译:线性局部偏差方程式( PDEs) 是一个重要的、广泛应用的机械模型类别, 描述热传输、 电磁学和波波传播等物理过程。 实际上, 以离散为基础的专门数字方法用于解析 PDEs 。 它们通常使用未知模型参数的估计数, 以及( 如果有的话) 初始化的物理测量。 这些解算器通常嵌入更大的科学模型, 其下游应用使错误量化起到关键作用。 但是, 传统的 PDE 解析器可能忽略参数和测量不确定性, 无法得出其内在近似错误的一致估计。 在这项工作中, 我们以原则化的方式处理这一问题, 将线性PDEs 解析成为物理知情的 Gaussian 进程( GGP) 回归。 我们的框架基于一个广泛应用的参数的关键性概括化理论, 将GPA值测量与通过任意约束线性线性操作器进行的观测进行调节。 至关重要的是, 这种模糊性观点允许(1) 量化内在的离析错误; (2) 将模型的不确定性传播到解决方案; (3) 度测量结构模型的精确度的精确度的精确度, 和精确度分析, 包括精确度的精确度的精确度的精确度的精确度的精确度的计算。

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