Papers
Topics
Authors
Recent
Gemini 2.5 Flash
Gemini 2.5 Flash
173 tokens/sec
GPT-4o
7 tokens/sec
Gemini 2.5 Pro Pro
46 tokens/sec
o3 Pro
4 tokens/sec
GPT-4.1 Pro
38 tokens/sec
DeepSeek R1 via Azure Pro
28 tokens/sec
2000 character limit reached

Scientific machine learning for closure models in multiscale problems: a review (2403.02913v2)

Published 5 Mar 2024 in math.NA and cs.NA

Abstract: Closure problems are omnipresent when simulating multiscale systems, where some quantities and processes cannot be fully prescribed despite their effects on the simulation's accuracy. Recently, scientific machine learning approaches have been proposed as a way to tackle the closure problem, combining traditional (physics-based) modeling with data-driven (machine-learned) techniques, typically through enriching differential equations with neural networks. This paper reviews the different reduced model forms, distinguished by the degree to which they include known physics, and the different objectives of a priori and a posteriori learning. The importance of adhering to physical laws (such as symmetries and conservation laws) in choosing the reduced model form and choosing the learning method is discussed. The effect of spatial and temporal discretization and recent trends toward discretization-invariant models are reviewed. In addition, we make the connections between closure problems and several other research disciplines: inverse problems, Mori-Zwanzig theory, and multi-fidelity methods. In conclusion, much progress has been made with scientific machine learning approaches for solving closure problems, but many challenges remain. In particular, the generalizability and interpretability of learned models is a major issue that needs to be addressed further.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (138)
  1. doi:10.1093/acrefore/9780190228620.013.826.
  2. doi:10.1007/BF02179552.
  3. doi:10.1073/pnas.1909854116.
  4. doi:10.1016/j.jcp.2022.110941.
  5. arXiv:2310.19385, doi:10.48550/arXiv.2310.19385.
  6. doi:10.1088/1748-9326/ac0eb0.
  7. doi:10.1029/2018MS001472.
  8. doi:10.2118/37324-JPT.
  9. doi:10.1146/annurev-biophys-083012-130348.
  10. doi:10.1088/1361-651X/ab7150.
  11. doi:10.1146/annurev-fluid-010518-040547.
  12. arXiv:2303.17078, doi:10.48550/arXiv.2303.17078.
  13. doi:10.1098/rspa.2023.0058.
  14. doi:10.1063/5.0128446.
  15. doi:10.1007/978-3-319-22470-1.
  16. doi:10.1126/sciadv.1602614.
  17. doi:10.1016/j.jcp.2018.10.045.
  18. doi:10.1007/s40304-018-0127-z.
  19. doi:10.1016/j.camwa.2011.09.028.
  20. doi:10.1007/s10409-021-01148-1.
  21. arXiv:2112.15275, doi:10.48550/arXiv.2112.15275.
  22. arXiv:2202.11214, doi:10.48550/arXiv.2202.11214.
  23. arXiv:2212.12794, doi:10.48550/arXiv.2212.12794.
  24. doi:10.1038/s42256-021-00302-5.
  25. arXiv:2010.08895, doi:10.48550/arXiv.2010.08895.
  26. arXiv:2301.13770, doi:10.48550/arXiv.2301.13770.
  27. arXiv:1905.09883, doi:10.48550/arXiv.1905.09883.
  28. arXiv:2306.01174, doi:10.48550/arXiv.2306.01174.
  29. arXiv:2105.01030.
  30. doi:10.5194/gmd-13-2185-2020.
  31. doi:10.1016/j.cma.2016.03.025.
  32. doi:10.1103/PhysRevFluids.2.054604.
  33. doi:10.1017/jfm.2016.615.
  34. doi:10.1016/j.jcp.2016.05.003.
  35. doi:10.1016/j.jcp.2016.07.038.
  36. arXiv:1606.07987, doi:10.1103/PhysRevFluids.2.034603.
  37. doi:10.2514/6.2018-2900.
  38. doi:10.1016/j.jcp.2019.108910.
  39. doi:10.1103/PhysRevFluids.4.034602.
  40. doi:10.1017/jfm.2020.931.
  41. doi:10.1017/jfm.2018.770.
  42. doi:10.1553/etna_vol56s117.
  43. doi:10.1016/j.physd.2022.133568.
  44. doi:10.1063/5.0149861.
  45. arXiv:2207.11417, doi:10.48550/arXiv.2207.11417.
  46. doi:10.1073/pnas.1810286115.
  47. arXiv:2009.10675, doi:10.1103/PhysRevFluids.6.050504.
  48. doi:10.23967/wccm-eccomas.2020.115.
  49. doi:10.1016/j.jcp.2022.111090.
  50. doi:10.1103/PhysRevFluids.6.050501.
  51. doi:10.1038/s41467-020-17142-3.
  52. doi:10.1103/PhysRevFluids.7.024305.
  53. arXiv:2306.05014, doi:10.48550/arXiv.2306.05014.
  54. arXiv:2307.13144, doi:10.48550/arXiv.2307.13144.
  55. doi:10.1016/j.camwa.2023.04.030.
  56. doi:10.1017/jfm.2022.738.
  57. doi:10.1002/gamm.202100002.
  58. doi:10.1016/j.cma.2022.115457.
  59. doi:10.1007/978-1-4020-8839-1.
  60. doi:10.2514/6.2019-1884.
  61. doi:10.1016/j.jcp.2020.109811.
  62. arXiv:2209.11614.
  63. arXiv:2307.03683, doi:10.48550/arXiv.2307.03683.
  64. doi:10.1029/2022MS003124.
  65. arXiv:2308.05732, doi:10.48550/arXiv.2308.05732.
  66. doi:10.1016/j.cma.2023.116161.
  67. arXiv:2307.13517, doi:10.48550/arXiv.2307.13517.
  68. arXiv:2107.02093, doi:10.48550/arXiv.2107.02093.
  69. doi:10.1016/j.camwa.2023.06.012.
  70. doi:10.1063/1.869867.
  71. doi:10.1007/s00162-019-00512-z.
  72. doi:10.1017/jfm.2017.637.
  73. doi:10.1080/23311940.2018.1464368.
  74. doi:10.1063/5.0027146.
  75. doi:10.1063/5.0059643.
  76. doi:10.1017/jfm.2020.948.
  77. arXiv:2303.02338.
  78. arXiv:2006.02619, doi:10.48550/arXiv.2006.02619.
  79. doi:10.1098/rspa.2021.0904.
  80. arXiv:2308.06675, doi:10.48550/arXiv.2308.06675.
  81. doi:10.1016/j.jcp.2018.02.039.
  82. doi:10.1038/s41467-022-28957-7.
  83. doi:10.1063/5.0106940.
  84. arXiv:1908.04127, doi:10.48550/arXiv.1908.04127.
  85. doi:10.1017/S0022112085001987.
  86. doi:10.1063/1.4974093.
  87. doi:10.1016/j.engappai.2023.107483.
  88. arXiv:physics/0605106, doi:10.3842/SIGMA.2006.052.
  89. doi:10.1007/BF00271419.
  90. arXiv:1906.06622, doi:10.48550/arXiv.1906.06622.
  91. doi:10.1002/fld.4684.
  92. doi:10.1017/jfm.2021.994.
  93. arXiv:2002.03061, doi:10.48550/arXiv.2002.03061.
  94. doi:10.1063/5.0066049.
  95. doi:10.1016/j.physa.2022.128327.
  96. arXiv:2310.18897, doi:10.48550/arXiv.2310.18897.
  97. doi:10.1098/rspa.2020.1004.
  98. arXiv:1806.07366.
  99. P. Kidger, On Neural Differential Equations (Feb. 2022). arXiv:2202.02435, doi:10.48550/arXiv.2202.02435.
  100. arXiv:2001.04385, doi:10.48550/arXiv.2001.04385.
  101. doi:10.1201/9780203749319.
  102. arXiv:2005.13420, doi:10.48550/arXiv.2005.13420.
  103. doi:10.1073/pnas.2101784118.
  104. doi:10.1016/j.taml.2022.100389.
  105. arXiv:2202.03376, doi:10.48550/arXiv.2202.03376.
  106. doi:10.1073/pnas.1814058116.
  107. arXiv:2207.00556, doi:10.48550/arXiv.2207.00556.
  108. doi:10.1016/S0898-1221(03)90019-8.
  109. doi:10.1017/S0022112003006268.
  110. arXiv:2206.01178, doi:10.48550/arXiv.2206.01178.
  111. doi:10.1017/S0962492910000061.
  112. doi:10.1002/wics.1427.
  113. doi:10.1137/1.9781611974546.
  114. doi:10.1016/j.jcp.2013.10.027.
  115. doi:10.3934/fods.2020004.
  116. doi:10.1007/s10409-021-01152-5.
  117. doi:10.2140/camcos.2006.1.1.
  118. arXiv:1611.03311, doi:10.1103/PhysRevFluids.2.014604.
  119. doi:10.1016/j.jcp.2017.07.053.
  120. arXiv:1803.09318, doi:10.1137/18M1177263.
  121. doi:10.1175/BAMS-D-15-00268.1.
  122. doi:10.1016/j.jcp.2018.06.038.
  123. doi:10.1016/j.physd.2021.132894.
  124. doi:10.1063/5.0131929.
  125. arXiv:2204.09157, doi:10.1016/j.jcp.2023.112462.
  126. doi:10.3934/fods.2020019.
  127. doi:10.1007/978-0-387-73829-1.
  128. doi:10.1017/CBO9780511613203.
  129. doi:10.1017/jfm.2023.510.
  130. P. Spalart, An Old-Fashioned Framework for Machine Learning in Turbulence Modeling (Aug. 2023). arXiv:2308.00837, doi:10.48550/arXiv.2308.00837.
  131. doi:10.1007/s10494-019-00089-x.
  132. doi:10.1029/2020GL088376.
  133. doi:10.1063/5.0091282.
  134. arXiv:1803.04779, doi:10.1063/1.5028373.
  135. doi:10.1103/PhysRevResearch.2.012080.
  136. arXiv:2402.04467, doi:10.48550/arXiv.2402.04467.
  137. doi:10.1063/5.0070890.
  138. arXiv:2210.07182, doi:10.48550/arXiv.2210.07182.
Citations (14)

Summary

We haven't generated a summary for this paper yet.

X Twitter Logo Streamline Icon: https://streamlinehq.com