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多输出可分离高斯过程:实现不确定性量化的高效、完全贝叶斯范式。 (英语) Zbl 1349.76760号

概要:模拟物理系统的计算机代码通常具有由一组不同的输出(例如速度和压力)组成的响应,这些输出也在空间和时间上演变,并取决于许多未知的输入参数(例如物理常数、初始/边界条件等)。此外,由于可用的模拟有限,不确定性量化、反问题或设计等基本工程程序极难实施。这项工作的目的是引入一种完全贝叶斯方法来处理这些问题,因为这些问题考虑到了由有限个观测值引起的不确定性。我们的模型建立在多维高斯过程的基础上,该过程明确处理不同输出变量以及空间和/或时间之间的相关性。正确使用可分离协方差函数使我们能够将巨大的协方差矩阵描述为较小矩阵的Kronecker乘积,从而实现高效的算法来进行推理和预测。这项工作的新颖之处在于认识到高斯过程模型在计算机代码的可能替代函数的函数空间上定义了一个后验概率测度,并推导了一个算法过程,使我们能够有效地对其进行采样。我们演示了如何在不确定性量化任务中使用该方案,以获得用于解释有限数量观测值的感兴趣统计数据的误差条。

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76立方米 随机分析在流体力学问题中的应用
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全文: 内政部

参考文献:

[1] 巴布什卡,I。;Nobile,F。;Tempone,R.,带随机输入数据的椭圆偏微分方程的随机配置方法,SIAM数值分析杂志,45,3,1005-1034(2007)·兹比尔1151.65008
[2] 秀,D。;Karniadakis,G.E.,随机微分方程的Wiener-Askey多项式混沌,科学计算杂志,24619-644(2002)·Zbl 1014.65004号
[4] 秀,D。;Hesthaven,J.S.,随机输入微分方程的高阶配置方法,SIAM科学计算杂志,27,3,1118-1139(2005)·Zbl 1091.65006号
[5] Xiu,D.,参数不确定性分析的有效搭配方法,计算物理通信,2,2,293-309(2007)·Zbl 1164.65302号
[6] Nobile,F。;丹蓬,R。;Webster,C.,具有随机输入数据的椭圆偏微分方程的稀疏网格配置方法,SIAM数值分析杂志,452309-2345(2008)·Zbl 1176.65137号
[7] 马,X。;Zabaras,N.,求解随机微分方程的自适应分层稀疏网格配置算法,计算物理杂志,228,8,3084-3113(2009)·Zbl 1161.65006号
[9] Sacks,J。;Welch,W.J。;米切尔,T.J。;Wynn,H.P.,《计算机实验的设计与分析》,统计科学,4,4,409-435(1989)·Zbl 0955.62619号
[10] 柯林,C。;米切尔,T。;莫里斯,M。;Ylvisaker,D.,确定性函数的贝叶斯预测及其在计算机实验设计和分析中的应用,美国统计协会杂志,86,416,953-963(1991)
[11] Welch,W.J。;巴克·R·J。;Sacks,J。;Wynn,H.P。;米切尔,T.J。;Morris,M.D.,《筛选、预测和计算机实验》,《技术计量学》,34,1,15-25(1992)
[13] 奥克利,J。;O'Hagan,A.,计算机模型输出不确定性分布的贝叶斯推断,Biometrika,89,4,769-784(2002)
[14] M.C.肯尼迪。;O'Hagan,A.,计算机模型的贝叶斯校准,《皇家统计学会杂志:B辑(统计方法)》,63,3,425-464(2001)·Zbl 1007.62021号
[15] Higdon博士。;加提克,J。;威廉姆斯,B。;Rightley,M.,使用高维输出进行计算机模型校准,《美国统计协会杂志》,103,482,570-583(2008)·Zbl 1469.62414号
[16] Gramacy,R.B。;Lee,H.K.H.,贝叶斯树高斯过程模型及其在计算机建模中的应用,美国统计协会杂志,103,483,1119-1130(2008)·Zbl 1205.62218号
[17] Bilinis,I。;Zabaras,N.,《多输出局部高斯过程回归:应用于不确定性量化》,《计算物理杂志》,第231、17、5718-5746页(2012年)·Zbl 1277.60066号
[18] 康蒂,S。;OHagan,A.,复杂多输出和动态计算机模型的贝叶斯仿真,《统计规划与推断杂志》,140,3,640-651(2010)·Zbl 1177.62033号
[19] 医学博士麦凯。;贝克曼,R.J。;Conover,W.J.,《计算机代码输出分析中选择输入变量值的三种方法的比较》,《技术计量学》,21,2,239-245(1979)·Zbl 0415.62011号
[20] MacKay,D.J.,主动数据选择的基于信息的目标函数,神经计算,4590-604(1992)
[21] Dawid,A.P.,《一些矩阵变量分布理论:符号注意事项和贝叶斯应用》,Biometrika,68,1265-274(1981)·Zbl 0464.62039号
[22] 马格纳斯,J。;Neudecker,H.,《矩阵微分学在统计学和计量经济学中的应用》。《矩阵微分学在统计学和计量经济学中的应用》,《概率统计中的威利级数》(1999),约翰·威利·Zbl 0912.15003号
[23] Bishop,C.M.,模式识别和机器学习(信息科学和统计)(2006),Springer-Verlag:Springer-Verlag Berlin,New York,Inc.,Secaucus,NJ,USA·Zbl 1107.68072号
[24] 戈拉德,M。;Voltz,M.,线性相关区域化模型:估计和选择交叉变异函数矩阵的工具,数学地质学,24269-286(1992)
[25] 布尔高,G。;Marcotte,D.,多变量变异函数及其在区域化线性模型中的应用,数学地质学,23899-928(1991)
[26] De Iaco,S。;迈尔斯,D。;Posa,D.,线性区域化模型和乘积和时空变异函数,《数学地质学》,35,25-38(2003)·兹比尔1302.86022
[27] van Loan,C.F.,《无处不在的Kronecker产品》,《计算与应用数学杂志》,123,1-2,85-100(2000)·Zbl 0966.65039号
[28] 卡塞拉,G。;George,E.I.,解释吉布斯采样器,美国统计学家,46,3,167-174(1992)
[29] 北卡罗来纳州大都会。;罗森布鲁斯,A.W。;Rosenbluth,M.N。;出纳员,A.H。;特勒,E.,用快速计算机器计算状态方程,化学物理杂志,21,6,1087-1092(1953)·Zbl 1431.65006号
[30] Hastings,W.K.,《使用马尔可夫链的蒙特卡罗采样方法及其应用》,《生物统计学》,57,1,97-109(1970)·Zbl 0219.65008号
[31] Gramacy,R.B。;Lee,H.K.,《计算机实验建模中的金块案例》,统计与计算,22,3,713-722(2012)·Zbl 1252.62098号
[32] 哈布雷希特,H。;彼得斯,M。;Schneider,R.,《基于枢轴Cholesky分解的低阶近似》,应用数值数学,62,4,428-440(2012)·兹比尔1244.65042
[33] 万,X。;Karniadakis,G.E.,随机微分方程的自适应多元广义多项式混沌方法,计算物理杂志,209617-642(2005)·Zbl 1078.65008号
[35] 医学博士麦凯。;贝克曼,R.J。;Conover,W.J.,《计算机代码输出分析中选择输入变量值的三种方法的比较》,《技术计量学》,42,1,202-208(2000)
[36] 鲍曼,A.W。;阿扎里尼,A.,《数据分析的应用平滑技术:带S-Plus插图的核方法》,《牛津统计科学丛书》(1997),牛津大学出版社:牛津大学出版社,美国·Zbl 0889.62027号
[37] Aarnes,J.E。;基普,V。;Lie,K.-A。;Rustad,A.B.,《油藏流动模拟中的多尺度结构建模》,(Hasle,G.;Lie,K.-A.;Quak,E.,《几何建模、数值模拟和优化》(2007年),Springer:Springer Berlin,Heidelberg),307-360,(第10章)·Zbl 1178.76331号
[38] Bochev,P。;Lehoucq,R.B.,关于纯Neumann问题的有限元解,SIAM Review,47,50-66(2001)·兹比尔1084.65111
[39] Ghanem,R.G。;Spanos,P.D.,《随机有限元:谱方法》(1991),Springer-Verlag:Springer-Verlag纽约·Zbl 0722.73080号
[40] 拉维亚特,P。;Thomas,J.,《二阶椭圆问题的混合有限元方法》,(Galligani,I.;Magenes,E.,《有限元方法的数学方面》,数学讲义,第606卷(1977年),施普林格:施普林格-柏林/海德堡),292-315,(第19章)·Zbl 0362.65089号
[41] 布雷齐,F。;休斯·T·J·R。;马里尼,L.D。;Masud,A.,Darcy流的混合间断Galerkin方法,科学计算杂志,22-23,119-145(2005)·兹比尔1103.76031
[42] Logg,A。;威尔斯,G.N。;Hake,J.,DOLFIN:一个C++/Python有限元库(2012),Springer,(第10章)
[43] Heroux,医学硕士。;Bartlett,R.A。;豪尔,V.E。;霍克斯特拉,R.J。;胡,J.J。;科尔达·T·G。;Lehoucq,R.B。;Long,K.R。;Pawlowski,R.P。;Phipps,E.T。;塞林格,A.G。;香港桑奎斯特。;杜米纳罗,R.S。;Willenbring,J.M。;威廉姆斯。;Stanley,K.S.,《trilinos项目概述》,《ACM数学软件交易》,31,3,397-423(2005)·Zbl 1136.65354号
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