We present a new scientific machine learning method that learns from data a computationally inexpensive surrogate model for predicting the evolution of a system governed by a time-dependent nonlinear partial differential equation (PDE), an enabling technology for many computational algorithms used in engineering settings. Our formulation generalizes to the PDE setting the Operator Inference method previously developed in [B. Peherstorfer and K. Willcox, Data-driven operator inference for non-intrusive projection-based model reduction, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 306 (2016)] for systems governed by ordinary differential equations. The method brings together two main elements. First, ideas from projection-based model reduction are used to explicitly parametrize the learned model by low-dimensional polynomial operators which reflect the known form of the governing PDE. Second, supervised machine learning tools are used to infer from data the reduced operators of this physics-informed parametrization. For systems whose governing PDEs contain more general (non-polynomial) nonlinearities, the learned model performance can be improved through the use of lifting variable transformations, which expose polynomial structure in the PDE. The proposed method is demonstrated on a three-dimensional combustion simulation with over 18 million degrees of freedom, for which the learned reduced models achieve accurate predictions with a dimension reduction of six orders of magnitude and model runtime reduction of 5-6 orders of magnitude.


翻译:我们提出了一个新的科学机器学习方法,从数据中学习一种计算成本低廉的替代模型,用于预测由基于时间的、非线性部分部分方程式(PDE)所规范的系统演化,这是一种在工程环境中使用的许多计算算法的赋能技术。我们的提法向PDE设置了先前在[B.Peherstorfer和K. Willcox,数据驱动的操作者对非侵入性预测性模型减少的推断,应用机械和工程的计算机方法,306-2016]中用于普通差异方程式的系统。该方法汇集了两个主要要素。首先,基于预测的模型减少的构想被用来明确对低维多元操作者所学的模型进行比对等。第二,由受监督的机器学习工具用来从数据中推断不干扰性预测模型减少的操作者。对于管理PDEs的非线性系统包含更一般性(非极性)非线性的系统来说,通过使用升级的精确级定型模型来改进所学模型的两种主要性模型的性模型。通过使用低维度变式模型来降低PDE等级的模型,在模拟模型上展示了40度的模型,在18级的模型中进行递减后进行模拟的模型,在降低的模型的模型的模型的模型,在降低后将可变压后将可变式模型的模型的模型在18级的模型进行。

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