Let $P$ be a linear differential operator over $\mathcal{D} \subset \mathbb{R}^d$ and $U = (U_x)_{x \in \mathcal{D}}$ a second order stochastic process. In the first part of this article, we prove a new simple necessary and sufficient condition for all the trajectories of $U$ to verify the partial differential equation (PDE) $T(U) = 0$. This condition is formulated in terms of the covariance kernel of $U$. The novelty of this result is that the equality $T(U) = 0$ is understood in the sense of distributions, which is a functional analysis framework particularly adapted to the study of PDEs. This theorem provides precious insights during the second part of this article, which is dedicated to performing "physically informed" machine learning on data that is solution to the homogeneous 3 dimensional free space wave equation. We perform Gaussian Process Regression (GPR) on this data, which is a kernel based machine learning technique. To do so, we model the solution of this PDE as a trajectory drawn from a well-chosen Gaussian process (GP). We obtain explicit formulas for the covariance kernel of the corresponding stochastic process; this kernel can then be used for GPR. We explore two particular cases : the radial symmetry and the point source. In the case of radial symmetry, we derive "fast to compute" GPR formulas; in the case of the point source, we show a direct link between GPR and the classical triangulation method for point source localization used e.g. in GPS systems. We also show that this use of GPR can be interpreted as a new answer to the ill-posed inverse problem of reconstructing initial conditions for the wave equation with finite dimensional data, and also provides a way of estimating physical parameters from this data as in [Raissi et al,2017]. We finish by showcasing this physically informed GPR on a number of practical examples.


翻译:$P$ 是一个在$\ mathcal{D}\ subset\ mathb{R ⁇ d$ 和 $U = (U_x)\ gathcal{D ⁇ $) 上的线性差运算器。 在本文章的第一部分, 我们证明这是一个新的简单的必要和充分的条件, 用于校验部分差分方程( PDE) $20(U) = 0美元。 这个条件是以 $U 的共变方程计算。 这个结果的新颖在于, 平等 $T(U) = 0= GmathcalSchchals = (U_xxxxxxx) = Gathcal_ a discredition) 。 在本文第二部分中, 这个参数为“ 物理知情的机器解析器” 提供了宝贵的洞察力, 用于对等式 3 空间波等式的数据进行“ 物理的学习 ” 。 我们用高思进程(GPR) 和这个模型的回归(GPRx) 数据, 这个模型的解算中, 用来为我们的解算一个直径解算。

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