Neural operators have gained significant attention recently due to their ability to approximate high-dimensional parametric maps between function spaces. At present, only parametric function approximation has been addressed in the neural operator literature. In this work we investigate incorporating parametric derivative information in neural operator training; this information can improve function approximations, additionally it can be used to improve the approximation of the derivative with respect to the parameter, which is often the key to scalable solution of high-dimensional outer-loop problems (e.g. Bayesian inverse problems). Parametric Jacobian information is formally intractable to incorporate due to its high-dimensionality, to address this concern we propose strategies based on reduced SVD, randomized sketching and the use of reduced basis surrogates. All of these strategies only require only $O(r)$ Jacobian actions to construct sample Jacobian data, and allow us to reduce the linear algebra and memory costs associated with the Jacobian training from the product of the input and output dimensions down to $O(r^2)$, where $r$ is the dimensionality associated with the dimension reduction technique. Numerical results for parametric PDE problems demonstrate that the addition of derivative information to the training problem can significantly improve the parametric map approximation, particularly given few data. When Jacobian actions are inexpensive compared to the parametric map, this information can be economically substituted for parametric map data. Additionally we show that Jacobian error approximations improve significantly with the introduction of Jacobian training data. This result opens the door to the use of derivative informed neural operators (DINOs) in outer-loop algorithms where they can amortize the additional training data cost via repeated evaluations.


翻译:神经操作员最近由于有能力在功能空间之间接近高维参数图而引起极大关注。 目前,神经操作员文献只涉及参数功能近似值。 在这项工作中,我们调查将参数衍生衍生物信息纳入神经操作员培训中的情况;这种信息可以改进功能近似值;另外,还可用于改进衍生物相对于参数的近近似值,而参数往往是高维外部环球问题可伸缩解决方案的关键(例如巴耶西亚反向问题)。 参数 Jacobian信息由于具有高维度而正式难以纳入,以解决这一关切:我们提出基于减少SVD、随机化绘图和使用降低基代谢度的模拟技术的战略。所有这些战略仅要求用美元(r)来构建叶科比亚数据样本,并使我们能够将与高维度外环球问题相关的培训的直径比值和记忆成本成本成本降低到$(r2),其中美元是用于与降低维度培训技术相关的维度评估。 数字分析结果比亚基比数据(PDEI) 数据, 数据比亚正数数据,这能明显改善数学数据。 当我们进行亚基化的精确数据, 亚基化数据, 数据的精确数据可以显示, 数据比比值数据 数据 数据 数据 数据 数据 能够大幅改进。

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