Walsh-Hadamard Neural Operators for Solving PDEs with Discontinuous Coefficients
Giorrgio M. Cavallazzi, Miguel Perex Cuadrado, Alfredo Pinelli
神经运算符已经成为学习偏微分方程(PDE)解决方案运算符的强大工具。 然而,基于傅里叶的标准光谱方法与由于Gibbs现象和尖锐接口的代表性差而涉及不连续系数的问题进行了斗争。 我们引入了Walsh-Hadamard神经运算符(WHNO),它利用Walsh-Hadamard变换 - 矩形波函数的光谱基础,自然适合零碎常数字段 - 与可学习的光谱权重相结合,可以转换低顺序的Walsh系数,以有效地捕获全局依赖关系。 我们在三个问题上验证了 WHNO:稳态 Darcy 流(初步验证)、不连续导热传导的热传导以及具有不连续初始条件的 2D Burgers 方程。 在与傅里叶神经运算符(FNO)在相同条件下的对照比较中,WHNO展示了卓越的准确性,更好地保存了材料界面的锐利解决方案特性。 至关重要的是,我们发现WHNO和FNO的加权集成组合仅比任一模型都取得了实质性的改进:对于热传导和Burgers方程,最佳集成将平均平方误差减少了35-40%,与单个模型相比,最大误差降低了25%。 这表明Walsh-Hadamard和傅里叶表示捕获了不连续PDE解决方案的互补方面,WHNO在锐利的界面上表现出色,而FNO有效地捕获了平滑的功能。
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 consta...