多维偏微分方程

计算科学 pde 蒙特卡洛 高维
2021-11-29 00:31:18

我知道大多数找到 PDE 近似解的方法在维数上的扩展性很差,并且 Monte Carlo 用于需要约 100 个维的情况。

什么是有效数值求解~4-10维偏微分方程的好方法?10-100?

除了蒙特卡洛之外,还有什么方法可以很好地适应维度的数量吗?

3个回答

在多维中提供基或求积(在许多情况下可以代替 MC)的更结构化的方法是稀疏网格,它结合了一些具有不同顺序的一维规则族,从而仅具有指数增长方面,2d,而不是让它成为分辨率的指数Nd.

这是通过所谓的 Smolyak 求积来完成的,它结合了一系列一维规则Ql1作为

Qnd=ln(Qi1Qi11)Qmi+1d1

这相当于从空间中去除了高混合阶数的张量积正交空间。如果这以足够严格的方式完成,那么复杂性可能会大大提高。然而,为了能够做到这一点并保持良好的近似,解的规则性必须具有充分消失的混合导数。

稀疏网格已被 Griebel 小组殴打致死,例如配置空间中的薛定谔方程其他 高维事物,结果相当不错。在应用中,使用的基函数可能非常通用,只要你可以嵌套它们。例如,平面波或分层基础很常见。

自己编写代码也很简单。然而,根据我的经验,要让它真正解决这些问题是非常困难的。有一个很好的教程

对于解决方案存在于具有快速消亡导数的专用 Sobolev 空间的问题,稀疏网格方法可能会产生更大的结果

另请参阅 Acta Numerica 评论论文,高维参数和随机 PDE 的稀疏张量离散化

作为一般规则,很容易理解为什么常规网格不能超出 3 或 4 维问题:在 d 维中,如果您希望每个坐标方向至少有 N 个点,您将得到 N^d总分。即使对于 1d 中相对较好的函数,您至少需要 N=10 个网格点来解决它们,所以点的总数将是 10^d - 即即使在最大的计算机上,您也不太可能超过 d =9,并且可能不会超越以往如果解函数具有某些属性,稀疏网格在某些情况下会有所帮助,但总的来说,您将不得不忍受维度灾难的后果并使用 MCMC 方法。

蒙特卡洛有一个非常吸引人的特性:它具有相同的收敛速度,与问题的维度无关。因此,即使对于维度问题d=4,...,100,它们将以与维度问题相同的速率收敛d=100,101,.... 因此,即使您的维度从 4 增加到 100,蒙特卡洛也可能会更快。