Numerous physics theories are rooted in partial differential equations (PDEs). However, the increasingly intricate physics equations, especially those that lack analytic solutions or closed forms, have impeded the further development of physics. Computationally solving PDEs by classic numerical approaches suffers from the trade-off between accuracy and efficiency and is not applicable to the empirical data generated by unknown latent PDEs. To overcome this challenge, we present KoopmanLab, an efficient module of the Koopman neural operator family, for learning PDEs without analytic solutions or closed forms. Our module consists of multiple variants of the Koopman neural operator (KNO), a kind of mesh-independent neural-network-based PDE solvers developed following dynamic system theory. The compact variants of KNO can accurately solve PDEs with small model sizes while the large variants of KNO are more competitive in predicting highly complicated dynamic systems govern by unknown, high-dimensional, and non-linear PDEs. All variants are validated by mesh-independent and long-term prediction experiments implemented on representative PDEs (e.g., the Navier-Stokes equation and the Bateman-Burgers equation in fluid mechanics) and ERA5 (i.e., one of the largest high-resolution global-scale climate data sets in earth physics). These demonstrations suggest the potential of KoopmanLab to be a fundamental tool in diverse physics studies related to equations or dynamic systems.


翻译:众多物理理论都源于偏微分方程(PDE)。然而,越来越复杂的物理方程,特别是那些缺乏解析解或闭合形式的方程,已经阻碍了物理学的进一步发展。经典数值方法计算求解PDEs存在精度和效率之间的权衡问题,并不能适用于由未知潜在PDEs生成的经验数据。为了克服这个挑战,我们提出KoopmanLab,它是Koopman神经算子家族的高效模块,用于学习没有解析解或闭合形式的PDEs。我们的模块由多种变量的Koopman神经算子(KNO)组成,这是一种基于动态系统理论开发的无网格独立神经网络PDE求解器。紧凑的KNO变量可以准确地解决小模型大小的PDEs,而大变量KNO在预测由未知的高维、非线性PDEs控制的高度复杂的动态系统方面更具竞争力。所有变量都通过代表性PDEs(如流体力学中的Navier-Stokes方程和Bateman-Burgers方程)和ERA5(即地球物理学中最大的高分辨率全球尺度气候数据集之一)进行了无网格独立和长期预测实验的验证。这些演示表明了KoopmanLab在与方程或动态系统相关的各种物理学研究中成为基本工具的潜力。

0
下载
关闭预览

相关内容

不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
73+阅读 · 2022年6月28日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
174+阅读 · 2019年10月11日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
39+阅读 · 2019年10月9日
强化学习三篇论文 避免遗忘等
CreateAMind
19+阅读 · 2019年5月24日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
26+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月18日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
15+阅读 · 2019年1月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
17+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
42+阅读 · 2019年1月3日
可解释的CNN
CreateAMind
17+阅读 · 2017年10月5日
强化学习族谱
CreateAMind
26+阅读 · 2017年8月2日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Arxiv
23+阅读 · 2022年2月24日
Arxiv
23+阅读 · 2022年2月4日
VIP会员
相关资讯
强化学习三篇论文 避免遗忘等
CreateAMind
19+阅读 · 2019年5月24日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
26+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月18日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
15+阅读 · 2019年1月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
17+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
42+阅读 · 2019年1月3日
可解释的CNN
CreateAMind
17+阅读 · 2017年10月5日
强化学习族谱
CreateAMind
26+阅读 · 2017年8月2日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员