Estimating parameters from data is a fundamental problem in physics, customarily done by minimizing a loss function between a model and observed statistics. In scattering-based analysis, researchers often employ their domain expertise to select a specific range of wavevectors for analysis, a choice that can vary depending on the specific case. We introduce another paradigm that defines a probabilistic generative model from the beginning of data processing and propagates the uncertainty for parameter estimation, termed ab initio uncertainty quantification (AIUQ). As an illustrative example, we demonstrate this approach with differential dynamic microscopy (DDM) that extracts dynamical information through Fourier analysis at a selected range of wavevectors. We first show that DDM is equivalent to fitting a temporal variogram in the reciprocal space using a latent factor model as the generative model. Then we derive the maximum marginal likelihood estimator, which optimally weighs information at all wavevectors, therefore eliminating the need to select the range of wavevectors. Furthermore, we substantially reduce the computational cost by utilizing the generalized Schur algorithm for Toeplitz covariances without approximation. Simulated studies validate that AIUQ significantly improves estimation accuracy and enables model selection with automated analysis. The utility of AIUQ is also demonstrated by three distinct sets of experiments: first in an isotropic Newtonian fluid, pushing limits of optically dense systems compared to multiple particle tracking; next in a system undergoing a sol-gel transition, automating the determination of gelling points and critical exponent; and lastly, in discerning anisotropic diffusive behavior of colloids in a liquid crystal. These outcomes collectively underscore AIUQ's versatility to capture system dynamics in an efficient and automated manner.


翻译:从数据中估计参数是物理学中的一个基本问题,通常通过最小化模型与观测统计量之间的损失函数来实现。在基于散射的分析中,研究人员常利用领域专业知识选择特定波矢范围进行分析,这种选择因具体案例而异。我们提出另一种范式:从数据处理之初就定义概率生成模型,并传播参数估计的不确定性,称之为从头不确定量化(AIUQ)。以差分动态显微镜(DDM)为例,该方法通过选定波矢范围内的傅里叶分析提取动力学信息。我们首先证明,DDM等价于在倒易空间中使用隐因子模型作为生成模型对时间变异函数进行拟合。随后推导出最大边际似然估计量,该估计量最优地加权所有波矢的信息,从而无需选择波矢范围。此外,我们利用托普利茨协方差的广义舒尔算法在无近似条件下大幅降低计算成本。模拟研究验证了AIUQ能显著提升估计精度,并通过自动化分析实现模型选择。三个不同实验组也展示了AIUQ的实用性:首先在各项同性牛顿流体中,相较于多粒子追踪,突破光学稠密系统的极限;其次在经历溶胶-凝胶转变的系统中,自动确定凝胶点和临界指数;最后在液晶中鉴别胶体各向异性扩散行为。这些成果共同凸显了AIUQ以高效自动化方式捕捉系统动力学的通用性。

0
下载
关闭预览

相关内容

【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6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
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
【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
学习自然语言处理路线图
专知会员服务
140+阅读 · 2019年9月24日
基于深度元学习的因果推断新方法
图与推荐
12+阅读 · 2020年7月21日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
利用动态深度学习预测金融时间序列基于Python
量化投资与机器学习
18+阅读 · 2018年10月30日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29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
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17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
1+阅读 · 2016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
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+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
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
69+阅读 · 2022年9月7日
Arxiv
16+阅读 · 2022年5月17日
Arxiv
18+阅读 · 2021年3月16日
Recent advances in deep learning theory
Arxiv
52+阅读 · 2020年12月20日
A survey on deep hashing for image retrieval
Arxiv
15+阅读 · 2020年6月10日
VIP会员
最新内容
马赛克战:俄乌战场透析
专知会员服务
7+阅读 · 今天4:12
《利用人工智能增强军事决策》
专知会员服务
1+阅读 · 今天4:09
《自动机器学习在军事数据耕耘法中的应用》
专知会员服务
3+阅读 · 今天4:02
为何指挥所生存能力要求范式转变
专知会员服务
1+阅读 · 今天3:54
打造“新蛛网”模式与高科技动员
专知会员服务
1+阅读 · 今天3:33
“蛛网”行动一周年:远程无人机战争
专知会员服务
1+阅读 · 今天3:23
【剑桥博士论文】智能体-环境协同优化
专知会员服务
5+阅读 · 6月9日
为初级军官战术训练设计生成式人工智能平台
专知会员服务
8+阅读 · 6月9日
《美军条令:作战伤员后送保障》
专知会员服务
6+阅读 · 6月9日
相关资讯
基于深度元学习的因果推断新方法
图与推荐
12+阅读 · 2020年7月21日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
利用动态深度学习预测金融时间序列基于Python
量化投资与机器学习
18+阅读 · 2018年10月30日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29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
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17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
1+阅读 · 2016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
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+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
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