This paper introduces a multifidelity formulation that reduces the computational cost of the proper orthogonal decomposition (POD) of a high-fidelity model by leveraging data from cheaper, lower-fidelity models. POD is a prevalent technique for extracting a low-dimensional basis from training data to achieve subsequent dimension reduction or reduced-order modeling. In scientific and engineering applications, the training data are typically numerical snapshot solutions of a high-fidelity model, and computation of a sufficiently rich snapshot set can be prohibitively expensive, especially when sampling over a high-dimensional parameter space. Insufficient snapshot training data risks overfitting and poor generalizability of the POD basis to outside the training regime. Our multifidelity POD (MFPOD) formulation reallocates computational budget to cheaper, low-fidelity models that can be sampled more extensively. MFPOD then weights high- and low-fidelity snapshot data via a control-variate formulation to guarantee an unbiased estimate of the expected high-fidelity least-squares projection error. The MFPOD subspace is chosen to minimize the estimate of this projection error, and converges in probability to the same subspace as single-fidelity POD in the limit of an arbitrarily large budget. For restrictive computational budgets, the MFPOD cost function has (under some assumptions) lower variance than the POD cost function, which makes the MFPOD subspace more robust against variations in the training data and thus less prone to overfitting. For a numerical example modeling the velocity of the Pine Island glacier, MFPOD achieves the same accuracy as single-fidelity POD with an order of magnitude reduction in the offline computational cost of snapshot generation.


翻译:本文提出一种多保真度公式,通过利用来自更廉价、低保真度模型的数据,降低高保真度模型的本征正交分解(POD)的计算成本。POD是一种从训练数据中提取低维基以进行后续降维或降阶建模的常用技术。在科学和工程应用中,训练数据通常是高保真度模型的数值快照解,而计算足够丰富的快照集可能代价过高,尤其是在高维参数空间中进行采样时。快照训练数据不足会导致POD基过拟合,并对其在训练范围外的泛化能力产生不良影响。我们的多保真度POD(MFPOD)公式将计算预算重新分配给更廉价、可更广泛采样的低保真度模型。MFPOD通过控制变量公式对高保真度和低保真度快照数据进行加权,以保证对预期高保真度最小二乘投影误差的无偏估计。MFPOD子空间的选择旨在最小化该投影误差的估计值,并在计算预算任意大的极限下,在概率上收敛到与单保真度POD相同的子空间。在计算预算有限的情况下,MFPOD代价函数的方差(在某些假设下)低于POD代价函数,这使得MFPOD子空间对训练数据的变化更具鲁棒性,从而更不易过拟合。在模拟松岛冰川速度的数值示例中,MFPOD实现了与单保真度POD相同的精度,同时将快照生成的离线计算成本降低了一个数量级。

0
下载
关闭预览

相关内容

ACM/IEEE第23届模型驱动工程语言和系统国际会议,是模型驱动软件和系统工程的首要会议系列,由ACM-SIGSOFT和IEEE-TCSE支持组织。自1998年以来,模型涵盖了建模的各个方面,从语言和方法到工具和应用程序。模特的参加者来自不同的背景,包括研究人员、学者、工程师和工业专业人士。MODELS 2019是一个论坛,参与者可以围绕建模和模型驱动的软件和系统交流前沿研究成果和创新实践经验。今年的版本将为建模社区提供进一步推进建模基础的机会,并在网络物理系统、嵌入式系统、社会技术系统、云计算、大数据、机器学习、安全、开源等新兴领域提出建模的创新应用以及可持续性。 官网链接:http://www.modelsconference.org/
多模态指代分割综述
专知会员服务
17+阅读 · 2025年8月4日
【论文推荐】小样本视频合成,Few-shot Video-to-Video Synthesis
专知会员服务
24+阅读 · 2019年12月15日
深度多模态表示学习综述论文,22页pdf
专知
33+阅读 · 2020年6月21日
【工大SCIR笔记】多模态信息抽取简述
深度学习自然语言处理
19+阅读 · 2020年4月3日
简述多种降维算法
算法与数学之美
11+阅读 · 2018年9月23日
国家自然科学基金
9+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
5+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
8+阅读 · 2017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
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
0+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
5+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 6月6日
VIP会员
最新内容
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
7+阅读 · 6月17日
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
7+阅读 · 6月17日
从燃煤战舰到算法战争:水面指挥的永恒要求
专知会员服务
6+阅读 · 6月17日
相关VIP内容
多模态指代分割综述
专知会员服务
17+阅读 · 2025年8月4日
【论文推荐】小样本视频合成,Few-shot Video-to-Video Synthesis
专知会员服务
24+阅读 · 2019年12月15日
相关基金
国家自然科学基金
9+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
5+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
8+阅读 · 2017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
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
0+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
5+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员