Dynamical systems arise in a wide variety of mathematical models from science and engineering. A common challenge is to quantify uncertainties on model inputs (parameters) that correspond to a quantitative characterization of uncertainties on observable Quantities of Interest (QoI). To this end, we consider a stochastic inverse problem (SIP) with a solution described by a pullback probability measure. We call this an observation-consistent solution, as its subsequent push-forward through the QoI map matches the observed probability distribution on model outputs. A distinction is made between QoI useful for solving the SIP and arbitrary model output data. In dynamical systems, model output data are often given as a series of state variable responses recorded over a particular time window. Consequently, the dimension of output data can easily exceed $\mathcal{O}(1E4)$ or more due to the frequency of observations, and the correct choice or construction of a QoI from this data is not self-evident. We present a new framework, Learning Uncertain Quantities (LUQ), that facilitates the tractable solution of SIPs for dynamical systems. Given ensembles of predicted (simulated) time series and (noisy) observed data, LUQ provides routines for filtering data, unsupervised learning of the underlying dynamics, classifying observations, and feature extraction to learn the QoI map. Subsequently, time series data are transformed into samples of the underlying predicted and observed distributions associated with the QoI so that solutions to the SIP are computable. Following the introduction and demonstration of LUQ, numerical results from several SIPs are presented for a variety of dynamical systems arising in the life and physical sciences. For scientific reproducibility, we provide links to our Python implementation of LUQ and to all data and scripts required to reproduce the results in this manuscript.


翻译:一种常见的挑战是如何量化模型投入(参数)的不确定性(参数),这些投入与可观测利益量的不确定性的定量定性相对应。为此,我们考虑的是具有可观测利益量(QoI)的不确定性的随机反问题(SIP),并有一个以拉回概率度测量描述的解决方案。我们称这是一个观测一致的解决方案,因为随后通过 QOI 地图推向或构建的QOI 与观察到的模型输出结果的概率分布相匹配。我们提出了一个新的框架,用于解决 SIP 和任意的模型输出数据。在动态系统中,模型输出数据数据往往作为一系列在特定时间窗口中记录的情况变量反应而给出。因此,输出数据的尺寸很容易超过$\mathcal{O}(1E4) 美元或更多,由于观测频率,以及从此数据中显示的对 QOI 的正确选择或构建到此数据的全部显示为不自明。我们提供了一个新的框架, 学习不精确的量化(LUQ) 和任意的序列演示(LUQ),从而从SIP 的可实时数据流化数据流化数据流化数据流化为SIP 和数据流化数据流化数据流化数据流化数据流化为SI 的流数据流化数据流化数据流化数据流化数据流化数据流化数据流化数据流化为SI 和流化数据流化数据。

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