In recent years, there has been a surge of interest in the development of probabilistic approaches to problems that might appear to be purely deterministic. One example of this is the solving of partial differential equations. Since numerical solvers require some approximation of the infinite-dimensional solution space, there is an inherent uncertainty to the solution that is obtained. In this work, the uncertainty associated with the finite element discretization error is modeled following the Bayesian paradigm. First, a continuous formulation is derived, where a Gaussian process prior over the solution space is updated based on observations from a finite element discretization. Due to intractable integrals, a second, finer, discretization is introduced that is assumed sufficiently dense to represent the true solution field. The prior distribution assumed over the fine discretization is then updated based on observations from the coarse discretization. This yields a posterior distribution with a mean close to the deterministic fine-scale solution that is endowed with an uncertainty measure. The prior distribution over the solution space is defined implicitly by assigning a white noise distribution to the right-hand side. This allows for a sparse representation of the prior distribution, and guarantees that the prior samples have the appropriate level of smoothness for the problem at hand. Special attention is paid to inhomogeneous Dirichlet and Neumann boundary conditions, and how these can be used to enhance this white noise prior distribution. For various problems, we demonstrate how regions of large discretization error are captured in the structure of the posterior standard deviation. The effects of the hyperparameters and observation noise on the quality of the posterior mean and standard deviation are investigated in detail.


翻译:近年来,针对看似纯粹确定性问题发展概率方法的研究兴趣显著增长。求解偏微分方程便是其中一例。由于数值求解器需要对无穷维解空间进行近似,所获得的解天然存在不确定性。本研究遵循贝叶斯范式对有限元离散化误差相关的不确定性进行建模。首先推导出连续形式,其中基于有限元离散化的观测数据更新解空间上的高斯过程先验。由于存在难以处理的积分,引入第二个更精细的离散化,假设其足够密集以表示真实解场。随后基于粗离散化的观测数据更新精细离散化上的先验分布,从而得到均值接近确定性细尺度解且具有不确定性度量的后验分布。通过为右端项赋予白噪声分布隐式定义解空间上的先验分布,这既实现了先验分布的稀疏表示,又能保证先验样本具有适用于所研究问题的适当光滑性。特别关注非齐次狄利克雷和诺伊曼边界条件,以及如何利用这些条件增强白噪声先验分布。针对多个问题,我们展示了后验标准差结构如何捕捉离散化误差较大的区域。详细研究了超参数和观测噪声对后验均值与标准差质量的影响。

0
下载
关闭预览

相关内容

不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
专知会员服务
52+阅读 · 2020年12月14日
神经常微分方程教程,50页ppt,A brief tutorial on Neural ODEs
专知会员服务
74+阅读 · 2020年8月2日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
78+阅读 · 2019年10月10日
机器学习入门的经验与建议
专知会员服务
94+阅读 · 2019年10月10日
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
105+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
ICLR2019最佳论文出炉
专知
12+阅读 · 2019年5月6日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年8月1日
VIP会员
最新内容
《多域战场上反制小型无人机系统》150页
专知会员服务
14+阅读 · 今天7:47
战场人工智能:增强陆地作战能力的发现与要求
专知会员服务
3+阅读 · 今天7:37
以人工智能为中心的指挥控制
专知会员服务
3+阅读 · 今天7:14
《基于深度强化学习的反无人机技术研究》178页
专知会员服务
13+阅读 · 6月10日
“史诗怒火”行动与“AI中心战”模式的浮现
专知会员服务
14+阅读 · 6月10日
【CVPR2026教程】扩散模型的解析理解
专知会员服务
6+阅读 · 6月10日
相关VIP内容
不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
专知会员服务
52+阅读 · 2020年12月14日
神经常微分方程教程,50页ppt,A brief tutorial on Neural ODEs
专知会员服务
74+阅读 · 2020年8月2日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
78+阅读 · 2019年10月10日
机器学习入门的经验与建议
专知会员服务
94+阅读 · 2019年10月10日
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
105+阅读 · 2019年10月9日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员