The lacking of analytic solutions of diverse partial differential equations (PDEs) gives birth to series of computational techniques for numerical solutions. In machine learning, numerous latest advances of solver designs are accomplished in developing neural operators, a kind of mesh-free approximators of the infinite-dimensional operators that map between different parameterization spaces of equation solutions. Although neural operators exhibit generalization capacities for learning an entire PDE family simultaneously, they become less accurate and explainable while learning long-term behaviours of non-linear PDE families. In this paper, we propose 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 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 linear operator governing all possible observations of the dynamic system, to act on the flow mapping of dynamic system, we can equivalently learn the solution of an entire non-linear PDE family by solving simple linear prediction problems. In zero-shot prediction and long-term prediction experiments on representative PDEs (e.g., the Navier-Stokes equation), KNO exhibits notable advantages in breaking the tradeoff between accuracy and efficiency (e.g., model size) while previous state-of-the-art models are limited. These results suggest that more efficient PDE solvers can be developed by the joint efforts from physics and machine learning.


翻译:缺乏多种部分差异方程式(PDEs)的解析性解决方案的缺乏导致一系列计算技术的计算数字解决方案的诞生。在机器学习中,在开发神经操作器方面,求解器设计的许多最新进步都是在开发神经操作器方面实现的,这种神经操作器在绘制方程式不同参数空间之间的图的无限维操作器的无线匹配器。虽然神经操作器展示了同时学习全PDE家族(PDE)的概括性能力,但它们变得不那么准确和可以解释。在本文中,我们提议建立一个新的神经操作器(Koopman)神经操作器(KNO),这是一个新的神经操作器,以克服这些挑战。同样的目标是学习Banach空间之间的无线性绘图,这是作为目标PDE的全线性操作器。我们的方法与现有的模型不同,它开发了一个非线性动态系统全线性动态系统所有可能的观测操作器,通过动态系统的流动图绘制,我们可以同等地学习整个非线性PDE的精确度模型的解决方案, 并且通过简单线性模型预测Simalal-laimal laimal laimal laimal laim latial latial latial latial lavial laview lacutural latial latial lacutural laviews

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