A Gaussian process (GP)-based methodology is proposed to emulate complex dynamical computer models (or simulators). The method relies on emulating the numerical flow map of the system over an initial (short) time step, where the flow map is a function that describes the evolution of the system from an initial condition to a subsequent value at the next time step. This yields a probabilistic distribution over the entire flow map function, with each draw offering an approximation to the flow map. The model output times series is then predicted (under the Markov assumption) by drawing a sample from the emulated flow map (i.e., its posterior distribution) and using it to iterate from the initial condition ahead in time. Repeating this procedure with multiple such draws creates a distribution over the time series. The mean and variance of this distribution at a specific time point serve as the model output prediction and the associated uncertainty, respectively. However, drawing a GP posterior sample that represents the underlying function across its entire domain is computationally infeasible, given the infinite-dimensional nature of this object. To overcome this limitation, one can generate such a sample in an approximate manner using random Fourier features (RFF). RFF is an efficient technique for approximating the kernel and generating GP samples, offering both computational efficiency and theoretical guarantees. The proposed method is applied to emulate several dynamic nonlinear simulators including the well-known Lorenz and van der Pol models. The results suggest that our approach has a promising predictive performance and the associated uncertainty can capture the dynamics of the system appropriately.


翻译:本文提出了一种基于高斯过程的复杂动力学计算机模型(或称模拟器)仿真方法。该方法通过模拟系统在初始(短时)时间步内的数值流形映射来实现——该映射描述了系统从初始状态到下一时刻状态值的演化函数。由此可得到整个流形映射函数的概率分布,其中每个采样值都对应流形映射的近似。基于马尔可夫假设,通过从仿真流形映射(即其后验分布)中抽取样本,并利用该样本从初始条件向前迭代,即可预测模型输出的时间序列。重复该过程并抽取多个样本,即可构建时间序列的分布,其中特定时刻的均值与方差分别对应模型输出预测及其伴随的不确定性。然而,由于高斯过程后验样本具有无限维特性,直接抽取能够表征全域底层函数的样本在计算上不可行。为克服这一限制,可采用随机傅里叶特征生成近似样本。随机傅里叶特征是一种高效逼近核函数并生成高斯过程样本的技术,兼具计算效率与理论保证。将该方法应用于包括经典洛伦兹模型和范德波尔模型在内的多个非线性动力学模拟器的仿真实验,结果表明该方法具有优异的预测性能,且其不确定性估计能有效捕捉系统的动力学特征。

0
下载
关闭预览

相关内容

最新《Transformers模型》教程,64页ppt
专知会员服务
326+阅读 · 2020年11月26日
【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
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17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
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 · 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
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
1+阅读 · 2014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
1+阅读 · 2014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
VIP会员
最新内容
对抗环境下超视距目标打击的情报支援
专知会员服务
8+阅读 · 7月22日
《无人机对海面作战影响评估》
专知会员服务
15+阅读 · 7月21日
印度精确打击与指挥架构的断层
专知会员服务
7+阅读 · 7月20日
美空军AI完成F-16战斗机自主空战历史性试飞
专知会员服务
8+阅读 · 7月20日
相关资讯
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17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
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 · 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
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
1+阅读 · 2014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
1+阅读 · 2014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