Markovian Whittle-Matérn fields have been convergently approximated by discrete Gauss Markov Random Fields (GMRFs) with sparse precision matrices using a Finite Element approximation of the two-parameter family, \[ (κ^2 - Δ)^{α/2} u = \mathcal{W}, \;\; κ\in \mathbb{R}, \; α\in \mathbb{N}. \] of SPDEs. Using recent developements in the analysis of Discrete Exterior Calculus (DEC), we present a different, yet closely related, convergent GMRF approximation to these Matérn fields over complete, boundaryless Riemannian manifolds discretized as well-centered simplicial complexes. This convergent method (i) is agnostic to $α, κ$ and thus allows a universal approximation scheme for the precision and covariance matrices of the entire $(α, κ)$-family of GMRFs, so they may be inferred rather than guessed. (ii) inherently models pointwise and piecewise-smoothed measurements of a random field and approximates both equally well (iii) is computationally independent of the interpolants used - it suffers no overhead if one convergent interpolant were replaced with another suitable interpolant over the same mesh. Furthermore, we show that, on discretizations that are well-connected in a precise sense, and volume-concentrated, the precision matrices are spectral functions of a graph-laplacian. We provide a low rank approximator to the family of such Matérn GMRFs and mention a use case: reducing the number of measurements needed to model the GMRF by compressed-sensing.


翻译:马尔可夫Whittle-Matérn场已通过稀疏精度矩阵的离散高斯马尔可夫随机场(GMRF)收敛逼近,该方法利用两参数族SPDE \[ (κ^2 - Δ)^{α/2} u = \mathcal{W}, \;\; κ\in \mathbb{R}, \; α\in \mathbb{N} \] 的有限元近似。基于离散外微分(DEC)分析的最新进展,我们提出了一种不同但密切相关的收敛GMRF逼近方法,适用于在完整无边界黎曼流形上离散化为良好中心单纯复形的Matérn场。该收敛方法:(i)与α和κ无关,从而为整个(α, κ)族GMRF的精度矩阵和协方差矩阵提供通用近似方案,使其可通过推断而非猜测获得;(ii)天然地建模随机场的点测量和分段平滑测量,并对两者进行同等良好的近似;(iii)在计算上独立于所使用的插值函数——若在同一网格上用另一种合适插值函数替换一种收敛插值函数,不会产生额外开销。此外,我们证明,在精确意义下良好连接且体积集中的离散化上,精度矩阵是图拉普拉斯算子的谱函数。我们为这类Matérn GMRF族提供了低秩近似器,并提及一个应用案例:通过压缩感知减少建模GMRF所需的测量数量。

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