Inverse problems, i.e., estimating parameters of physical models from experimental data, are ubiquitous in science and engineering. The Bayesian formulation is the gold standard because it alleviates ill-posedness issues and quantifies epistemic uncertainty. Since analytical posteriors are not typically available, one resorts to Markov chain Monte Carlo sampling or approximate variational inference. However, inference needs to be rerun from scratch for each new set of data. This drawback limits the applicability of the Bayesian formulation to real-time settings, e.g., health monitoring of engineered systems, and medical diagnosis. The objective of this paper is to develop a methodology that enables real-time inference by learning the Bayesian inverse map, i.e., the map from data to posteriors. Our approach is as follows. We parameterize the posterior distribution as a function of data. This work outlines two distinct approaches to do this. The first method involves parameterizing the posterior using an amortized full-rank Gaussian guide, implemented through neural networks. The second method utilizes a Conditional Normalizing Flow guide, employing conditional invertible neural networks for cases where the target posterior is arbitrarily complex. In both approaches, we learn the network parameters by amortized variational inference which involves maximizing the expectation of evidence lower bound over all possible datasets compatible with the model. We demonstrate our approach by solving a set of benchmark problems from science and engineering. Our results show that the posterior estimates of our approach are in agreement with the corresponding ground truth obtained by Markov chain Monte Carlo. Once trained, our approach provides the posterior distribution for a given observation just at the cost of a forward pass of the neural network.


翻译:逆问题,即从实验数据中估计物理模型参数,在科学与工程领域普遍存在。贝叶斯公式是黄金标准,因其能缓解不适定性问题并量化认知不确定性。由于解析后验分布通常无法获得,研究者通常采用马尔可夫链蒙特卡洛采样或近似变分推断。然而,每遇到新的数据集都需要从头重新进行推断。这一缺陷限制了贝叶斯公式在实时场景中的应用,例如工程系统的健康监测和医疗诊断。本文的目标是开发一种通过学习贝叶斯逆映射(即从数据到后验分布的映射)来实现实时推断的方法。我们的方法如下:我们将后验分布参数化为数据的函数。本文概述了实现这一目标的两种不同途径。第一种方法通过神经网络实现,使用摊销全秩高斯引导体对后验分布进行参数化。第二种方法采用条件归一化流引导体,利用条件可逆神经网络处理目标后验分布高度复杂的情况。在两种方法中,我们均通过摊销变分推断学习网络参数,这涉及在模型兼容的所有可能数据集上最大化证据下界的期望。我们通过求解一系列科学与工程领域的基准问题来验证所提方法。结果表明,我们的方法得到的后验估计与通过马尔可夫链蒙特卡洛获得的对应真实结果一致。训练完成后,我们的方法仅需神经网络一次前向传播的计算代价,即可为给定观测提供后验分布。

0
下载
关闭预览

相关内容

Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2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
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017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
3+阅读 · 2015年12月31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
47+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 · 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
6+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
11+阅读 · 2018年7月31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
相关资讯
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2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
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017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
3+阅读 · 2015年12月31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
47+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 · 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
6+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员