We introduce a method to construct a stochastic surrogate model from the results of dimensionality reduction in forward uncertainty quantification. The hypothesis is that the high-dimensional input augmented by the output of a computational model admits a low-dimensional representation. This assumption can be met by numerous uncertainty quantification applications with physics-based computational models. The proposed approach differs from a sequential application of dimensionality reduction followed by surrogate modeling, as we "extract" a surrogate model from the results of dimensionality reduction in the input-output space. This feature becomes desirable when the input space is genuinely high-dimensional. The proposed method also diverges from the Probabilistic Learning on Manifold, as a reconstruction mapping from the feature space to the input-output space is circumvented. The final product of the proposed method is a stochastic simulator that propagates a deterministic input into a stochastic output, preserving the convenience of a sequential "dimensionality reduction + Gaussian process regression" approach while overcoming some of its limitations. The proposed method is demonstrated through two uncertainty quantification problems characterized by high-dimensional input uncertainties.


翻译:我们提出了一种方法,通过前向不确定性量化中降维的结果构建随机替代模型。其假设在于:通过计算模型输出的高维输入增强数据具有低维表示。这一假设适用于众多基于物理计算模型的不确定性量化应用。所提方法与先降维后替代建模的序贯应用不同,因为我们在输入-输出空间的降维结果中"提取"替代模型。当输入空间真正高维时,这一特性尤为理想。所提方法也与流形概率学习不同,因为它规避了从特征空间到输入-输出空间的重构映射。该方法的最终产物是一个随机模拟器,能将确定性输入传播为随机输出,既保持了序贯"降维+高斯过程回归"方法的便捷性,又克服了其部分局限性。通过两个以高维输入不确定性为特征的不确定性量化问题,对所提方法进行了验证。

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降维是将数据从高维空间转换为低维空间,以便低维表示保留原始数据的某些有意义的属性,理想情况下接近其固有维。降维在处理大量观察和/或大量变量的领域很常见,例如信号处理,语音识别,神经信息学和生物信息学。
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