We introduce and compare computational techniques for sharp extreme event probability estimates in stochastic differential equations with small additive Gaussian noise. In particular, we focus on strategies that are scalable, i.e. their efficiency does not degrade upon temporal and possibly spatial refinement. For that purpose, we extend algorithms based on the Laplace method for estimating the probability of an extreme event to infinite dimensional path space. The method estimates the limiting exponential scaling using a single realization of the random variable, the large deviation minimizer. Finding this minimizer amounts to solving an optimization problem governed by a differential equation. The probability estimate becomes sharp when it additionally includes prefactor information, which necessitates computing the determinant of a second derivative operator to evaluate a Gaussian integral around the minimizer. We present an approach in infinite dimensions based on Fredholm determinants, and develop numerical algorithms to compute these determinants efficiently for the high-dimensional systems that arise upon discretization. We also give an interpretation of this approach using Gaussian process covariances and transition tubes. An example model problem, for which we provide an open-source python implementation, is used throughout the paper to illustrate all methods discussed. To study the performance of the methods, we consider examples of stochastic differential and stochastic partial differential equations, including the randomly forced incompressible three-dimensional Navier-Stokes equations.


翻译:我们介绍并比较了在带有小加性高斯噪声的随机微分方程中,计算尖锐极端事件概率估计的计算技术。特别地,我们关注可伸缩的策略,即其效率不会因时间及可能的空间细化而降低。为此,我们将基于拉普拉斯方法估计极端事件概率的算法扩展到无限维路径空间。该方法利用随机变量的一次实现——即大偏差极小化子——来估计极限指数标度。寻找该极小化子等价于求解一个由微分方程支配的优化问题。当进一步包含前因子信息时,概率估计变得尖锐,这需要计算二阶导数算子的行列式,以评估极小化子周围的高斯积分。我们提出了一种基于弗雷德霍姆行列式的无限维方法,并开发了数值算法,以高效计算离散化产生的高维系统中的这些行列式。我们还利用高斯过程协方差和转移管道对此方法进行了解释。论文中通过一个示例模型问题(我们提供其开源Python实现)来说明所讨论的所有方法。为研究各方法的性能,我们考虑了随机微分方程和随机偏微分方程的例子,包括随机强迫不可压三维纳维-斯托克斯方程。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
35+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
61+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17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
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3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
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29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
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25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
0+阅读 · 2017年12月31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
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
2+阅读 · 2015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
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
《履带式无人地面战车技术发展现状》
专知会员服务
0+阅读 · 37分钟前
《无人机脆弱性利用:网络空间力量的新域》
专知会员服务
2+阅读 · 8月1日
美空军如何将人工智能从战场部署至后方机关
专知会员服务
11+阅读 · 7月31日
《史诗怒火行动:多域前瞻评估》49页报告
专知会员服务
7+阅读 · 7月31日
《英国防部:未来空战系统数字化战略》33页
专知会员服务
5+阅读 · 7月31日
《面向自主飞行网络的智能体人工智能架构》
专知会员服务
7+阅读 · 7月31日
“史诗怒火”行动:现代多域作战的重要节点
专知会员服务
8+阅读 · 7月30日
《下一代无线网络中的多无人机通信资源管理》
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3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
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29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
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25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
0+阅读 · 2017年12月31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
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
2+阅读 · 2015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
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员