Neural operators have emerged as powerful tools for learning solution operators of partial differential equations (PDEs). However, standard spectral methods based on Fourier transforms struggle with problems involving discontinuous coefficients due to the Gibbs phenomenon and poor representation of sharp interfaces. We introduce the Walsh-Hadamard Neural Operator (WHNO), which leverages Walsh-Hadamard transforms-a spectral basis of rectangular wave functions naturally suited for piecewise constant fields-combined with learnable spectral weights that transform low-sequency Walsh coefficients to capture global dependencies efficiently. We validate WHNO on three problems: steady-state Darcy flow (preliminary validation), heat conduction with discontinuous thermal conductivity, and the 2D Burgers equation with discontinuous initial conditions. In controlled comparisons with Fourier Neural Operators (FNO) under identical conditions, WHNO demonstrates superior accuracy with better preservation of sharp solution features at material interfaces. Critically, we discover that weighted ensemble combinations of WHNO and FNO achieve substantial improvements over either model alone: for both heat conduction and Burgers equation, optimal ensembles reduce mean squared error by 35-40 percent and maximum error by up to 25 percent compared to individual models. This demonstrates that Walsh-Hadamard and Fourier representations capture complementary aspects of discontinuous PDE solutions, with WHNO excelling at sharp interfaces while FNO captures smooth features effectively.


翻译:神经算子已成为学习偏微分方程(PDEs)解算子的强大工具。然而,基于傅里叶变换的标准谱方法在处理涉及间断系数的问题时,由于吉布斯现象及对尖锐界面的表征能力不足而面临困难。本文提出沃尔什-哈达玛神经算子(WHNO),其利用沃尔什-哈达玛变换——一种天然适用于分段常数场的矩形波函数谱基——结合可学习的谱权重,通过变换低序列沃尔什系数来高效捕捉全局依赖关系。我们在三个问题上验证了WHNO:稳态达西流(初步验证)、具有间断热导率的热传导问题,以及具有间断初始条件的二维Burgers方程。在与傅里叶神经算子(FNO)的同等条件对照比较中,WHNO表现出更高的精度,并在材料界面处更好地保持了解的尖锐特征。关键的是,我们发现WHNO与FNO的加权集成组合相比任一单独模型均取得显著改进:对于热传导和Burgers方程,最优集成将均方误差降低了35-40%,最大误差相比单一模型最多降低25%。这表明沃尔什-哈达玛表示与傅里叶表示捕捉了间断PDE解的互补特性:WHNO擅长处理尖锐界面,而FNO能有效捕捉平滑特征。

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