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基于随机网格的概率有限元方法:后验误差估计和贝叶斯反问题。 (英语) Zbl 1506.65200号

摘要:我们提出了一种新的概率有限元方法(FEM),用于基于随机网格的椭圆偏微分方程的求解和不确定性量化,我们称之为随机网格FEM(RM-FEM)。我们的方法允许在经典FEM上引入概率测度,以量化由于后验误差量化或基于FE的贝叶斯反问题中的数值误差引起的不确定性。新方法只涉及网格扰动和插值,实现非常简单。我们提出了一种后验误差估计方法和一种基于概率信息的严格后验误差分析方法,用于标准分段线性有限元法。一系列数值实验说明了RM-FEM用于误差估计的潜力,并验证了我们的分析。我们进一步演示了如何使用RM-FEM提高贝叶斯反问题的解的质量,从而更好地量化计算管道中的数值错误。

MSC公司:

65N30型 偏微分方程边值问题的有限元、Rayleigh-Riz和Galerkin方法
2015年1月62日 贝叶斯推断
65N21型 含偏微分方程边值问题反问题的数值方法
65牛顿50 涉及偏微分方程的边值问题的网格生成、细化和自适应方法
65N75型 涉及偏微分方程边值问题的概率方法、粒子方法等
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参考文献:

[1] Oates,C.J。;沙利文,T.J.,《概率数字的现代回顾》,《统计计算》。,29, 1335-1351 (2019) ·Zbl 1431.60002号
[2] Hennig,P。;奥斯本,医学硕士。;Giramia,M.,《概率数字与计算中的不确定性》,Proc。A、 471,第20150142条pp.(2015),17·Zbl 1372.65010号
[3] Cockayne,J。;Oates,C.J。;T·J·沙利文。;Girolami,M.,贝叶斯概率数值方法,SIAM Rev.,61556-789(2019)·Zbl 1451.65179号
[4] Skilling,J.,常微分方程的贝叶斯解,(最大熵和贝叶斯方法(1992),Springer),23-37·Zbl 0828.65078号
[5] Kersting,H。;Hennig,P.,贝叶斯ODE解算器中的主动不确定性校准,(第32届人工智能不确定性会议论文集(UAI 2016)(2016),AUAI出版社),309-318
[6] Kersting,H。;T·J·沙利文。;Hennig,P.,高斯ODE滤波器的收敛速度,统计计算。,30, 1791-1816 (2020) ·Zbl 1451.65098号
[7] Tronarp,F。;Kersting,H。;南卡罗来纳州。;Hennig,P.,作为非线性贝叶斯滤波的常微分方程概率解:一个新的视角,统计计算。,29, 1297-1315 (2019) ·Zbl 1435.65020号
[8] 肖伯,M。;南卡罗来纳州。;Hennig,P.,初值问题数值解的概率模型,统计计算。,29, 99-122 (2019) ·Zbl 1505.62361号
[9] Chkrebtii,O.A。;坎贝尔,D.A。;Calderhead,B。;Girolami,M.A.,微分方程的贝叶斯解不确定性量化,贝叶斯分析。,11, 1239-1267 (2016) ·Zbl 1357.62108号
[10] 肖伯,M。;Duvenaud,D。;Hennig,P.,使用Runge-Kutta平均值的概率ODE解算器,(神经信息处理系统进展27(2014),Curran Associates,Inc.),739-747
[11] 康拉德,P.R。;Girolma,M。;南卡罗来纳州。;Stuart,A.M。;Zygalakis,K.,微分方程的统计分析:在数值解上引入概率测度,统计计算。,27, 1065-1082 (2017) ·Zbl 1384.62082号
[12] Lie,H.C。;Stuart,A.M。;Sullivan,T.J.,常微分方程概率积分器的强收敛速度,统计计算。,29, 1265-1283 (2019) ·兹比尔1431.65122
[13] 阿卜杜勒。;Garegnani,G.,混沌和几何数值积分中不确定性量化的随机时间步长概率方法,统计计算。,30, 907-932 (2020) ·Zbl 1505.62010号
[14] Teymur,O。;Lie,H.C。;T·沙利文。;Calderhead,B.,ODE的隐式概率积分器,(神经信息处理系统进展(2018)),7244-7253
[15] Teymur,O。;齐加拉基斯,K。;Calderhead,B.,概率线性多步方法,(神经信息处理系统进展(2016)),4321-4328
[16] Cockayne,J。;Oates,C.J。;T·J·沙利文。;Girolma,M.,PDE约束贝叶斯反问题的概率数值方法,AIP Conf.Proc。,1853年,第060001条pp.(2017)
[17] Cockayne,J。;Oates,C.J。;T·J·沙利文。;Girolma,M.,偏微分方程和贝叶斯反问题的概率数值方法(2017),arXiv预印本arXiv:1605.07811
[18] Oates,C.J。;Cockayne,J。;艾克罗伊德·R·G。;Girolami,M.,工业水力旋流器设备时间相关状态估计中的贝叶斯概率数值方法,J.Amer。统计师。协会,1141518-1531(2019)·Zbl 1428.62515号
[19] Owhadi,H.,贝叶斯数值均匀化,多尺度模型。模拟。,13, 812-828 (2015) ·Zbl 1322.35002号
[20] Owhadi,H.,《分层信息游戏中粗糙系数和多分辨率算子分解的多重网格》,SIAM Rev.,59,99-149(2017)·Zbl 1358.65071号
[21] 奥瓦迪,H。;Zhang,L.,Gamblets,用于打开具有粗糙系数的双曲和抛物线常微分方程/偏微分方程隐式格式的复杂性-瓶颈,J.Compute。物理。,347, 99-128 (2017) ·Zbl 1380.65406号
[22] 莱斯,M。;佩迪卡里斯,P。;Karniadakis,G.E.,《利用噪声多保真数据推断微分方程解》,J.Compute。物理。,335, 736-746 (2017) ·Zbl 1382.65229号
[23] 莱斯,M。;佩迪卡里斯,P。;Karniadakis,G.E.,使用高斯过程的线性微分方程机器学习,J.Compute。物理。,348, 683-693 (2017) ·Zbl 1380.68339号
[24] Girolma,M。;Febrianto,E。;尹,G。;Cirak,F.,观测数据和模型预测相干合成的统计有限元方法(statFEM),计算。方法应用。机械。工程师,375,第113533条第(2021)页,32·Zbl 1506.65210号
[25] 俄亥俄州Chkrebtii。;Campbell,D.A.,状态空间概率微分方程求解器的自适应步长选择,统计计算。,29, 1285-1295 (2019) ·Zbl 1436.62092号
[26] 博世,N。;Hennig,P。;Tronarp,F.,校准自适应概率ODE解算器(2020),arXiv预印本arXiv:2012.08202
[27] 巴布什卡,I。;Rheinboldt,W.C.,《一维问题有限元解的后验误差分析》,SIAM J.Numer。分析。,18, 565-589 (1981) ·Zbl 0487.65060号
[28] Verfürth,R.,《有限元方法的后验误差估计技术》,(数值数学与科学计算(2013),牛津大学出版社:牛津大学出版社)·Zbl 1279.65127号
[29] 安斯沃思,M。;Oden,J.T.,(有限元分析中的后验误差估计。有限元分析、纯数学和应用数学中的后验误差估计(纽约)(2000),威利国际科学[John Wiley&Sons]:威利国际科技[John Wiley&Sons]New York)·Zbl 1008.65076号
[30] Verfürth,R.,《后验误差估计和自适应网格细化技术》,J.Compute。申请。数学。,50, 67-83 (1994) ·Zbl 0811.65089号
[31] 齐恩基维茨,O.C。;Zhu,J.Z.,超收敛补丁恢复和后验误差估计。I.恢复技术,国际。J.数字。方法工程,331331-1364(1992)·Zbl 0769.73084号
[32] 齐恩基维茨,O.C。;Zhu,J.Z.,超收敛补丁恢复和后验误差估计。二、。误差估计和适应性,国际。J.数字。方法工程,331365-1382(1992)·Zbl 0769.73085号
[33] 克罗齐,M。;贾尔斯,M.B。;罗杰斯,M.E。;Farrell,P.E.,《非嵌套网格多层蒙特卡罗高效白噪声采样和耦合》,SIAM/ASA J.Uncertain。数量。,1630-1655年6月(2018年)·Zbl 07003649号
[34] 克罗齐,M。;Farrell,P.E.,拟均匀网格的超网格构造的复杂性边界,J.Comput。物理。,414,第109459条pp.(2020),7·Zbl 1440.65015号
[35] Lie,H.C。;T·J·沙利文。;Teckentrup,A.L.,贝叶斯反问题中的随机正向模型和对数似然,SIAM/ASA J.不确定性。数量。,6, 1600-1629 (2018) ·Zbl 1409.62062号
[36] Dashti,M。;Stuart,A.M.,(逆向问题的贝叶斯方法。逆向问题的贝氏方法,不确定性量化手册(2016),Springer),1-118
[37] Stuart,A.M.,《逆向问题:贝叶斯观点》,《数值学报》。,19, 451-559 (2010) ·Zbl 1242.65142号
[38] Sullivan,T.J.,贝叶斯反问题和重尾稳定拟巴拿赫空间先验,逆问题。成像,11857-874(2017)·兹比尔1368.65085
[39] Calvetti,D。;邓洛普,M。;萨默萨洛,E。;Stuart,A.M.,贝叶斯反演模型误差的迭代更新,反演问题,34,文章025008 pp.(2018),38·Zbl 1386.65056号
[40] Calvetti,D。;欧·恩斯特。;Somersalo,E.,《使用顺序抽样动态更新数值模型差异》,《反问题》,第30期,第114019页,(2014年),第19页·Zbl 1306.65271号
[41] 阿卜杜勒。;Di Blasio,A.,椭圆多尺度反问题的贝叶斯数值均匀化方法,SIAM/ASA J.不确定性。数量。,8, 414-450 (2020) ·Zbl 1436.62089号
[42] 阿卜杜勒。;Garegnani,G。;Zanoni,A.,多尺度反问题的集合卡尔曼滤波器,多尺度模型。模拟。,18, 1565-1594 (2020) ·Zbl 1453.65393号
[43] 凯皮奥,J。;Somersalo,E.,(统计和计算逆问题,统计和计算反问题,应用数学科学,第160卷(2005),Springer-Verlag:Springer-Verlag New York)·兹比尔1068.65022
[44] Kroese,D.P。;Taimre,T。;Botev,Z.I.,《蒙特卡罗方法手册》,第706卷(2013年),John Wiley&Sons
[45] Vihola,M.,具有强制接受率的鲁棒自适应Metropolis算法,统计计算。,22, 997-1008 (2012) ·Zbl 1252.65024号
[46] 科特,S.L。;Roberts,G.O。;Stuart,A.M。;White,D.,MCMC函数方法:修改旧算法使其更快,Statist。科学。,28424-446(2013年)·Zbl 1331.62132号
[47] 海尔,M。;Stuart,A.M。;Vollmer,S.J.,《无限维Metropolis-Hastings算法的谱间隙》,Ann.Appl。概率。,242455-2490(2014年)·Zbl 1307.65002号
[48] Ciarlet,P.G.,(《椭圆问题的有限元方法》,《椭圆问题有限元方法,经典应用数学》,第40卷(2002年),SIAM:SIAM Philadelphia)·Zbl 0999.65129号
[49] Quarteroni,A.,(微分问题的数值模型。微分问题的数字模型,建模,仿真与应用,第2卷(2009),Springer)·Zbl 1170.65326号
[50] 南卡罗来纳州布伦纳。;Scott,L.R.,(有限元方法的数学理论。有限元方法数学理论,应用数学教材,第15卷(2008),Springer:Springer New York)·Zbl 1135.65042号
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