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Koopman neural operator as a mesh-free solver of non-linear partial differential equations

偏微分方程 操作员(生物学) 解算器 应用数学 人工神经网络 计算机科学 数学 数学分析 数学优化 人工智能 生物化学 转录因子 基因 抑制因子 化学
作者
Wei Xiong,Xiaomeng Huang,Ziyang Zhang,Ruixuan Deng,Pei Sun,Yang Tian
出处
期刊:Journal of Computational Physics [Elsevier BV]
卷期号:513: 113194-113194 被引量:4
标识
DOI:10.1016/j.jcp.2024.113194
摘要

The lacking of analytic solutions of diverse partial differential equations (PDEs) gives birth to a series of computational techniques for numerical solutions. Although numerous latest advances are accomplished in developing neural operators, a kind of neural-network-based PDE solver, these solvers become less accurate and explainable while learning long-term behaviors of non-linear PDE families. In this paper, we propose the Koopman neural operator (KNO), a new neural operator, to overcome these challenges. With the same objective of learning an infinite-dimensional mapping between Banach spaces that serves as the solution operator of the target PDE family, our approach differs from existing models by formulating a non-linear dynamic system of equation solution. By approximating the Koopman operator, an infinite-dimensional operator governing all possible observations of the dynamic system, to act on the flow mapping of the dynamic system, we can equivalently learn the solution of a non-linear PDE family by solving simple linear prediction problems. We validate the KNO in mesh-independent, long-term, and zero-shot predictions on five representative PDEs (e.g., the Navier-Stokes equation and the Rayleigh-Bénard convection) and three real dynamic systems (e.g., global water vapor patterns and western boundary currents). In these experiments, the KNO exhibits notable advantages compared with previous state-of-the-art models, suggesting the potential of the KNO in supporting diverse science and engineering applications (e.g., PDE solving, turbulence modeling, and precipitation forecasting).
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