Bayesian inference provides a systematic means of quantifying uncertainty in the solution of the inverse problem. However, solution of Bayesian inverse problems governed by complex forward models described by partial differential equations (PDEs) remains prohibitive with black-box Markov chain Monte Carlo (MCMC) methods. We present hIPPYlib-MUQ, an extensible and scalable software framework that contains implementations of state-of-the art algorithms aimed to overcome the challenges of high-dimensional, PDE-constrained Bayesian inverse problems. hIPPYlib-MUQ integrates two complementary open-source software packages. hIPPYlib solves PDE-constrained inverse problems using automatically-generated adjoint-based derivatives, but it lacks full Bayesian capabilities. MUQ provides numerous powerful Bayesian inversion algorithms, but expects forward models to come equipped with derivatives to permit large-scale solution. By combining these two libraries, we created a robust, scalable, and efficient software framework that can be used to tackle complex large-scale Bayesian inverse problems across a broad spectrum of scientific and engineering disciplines. To illustrate the capabilities of hIPPYlib-MUQ, we compare a number of MCMC methods on several high-dimensional Bayesian inverse problems. The results demonstrate that large ($\sim 50\times$) speedups over conventional black box and gradient-based MCMC algorithms can be obtained by exploiting Hessian information (from the log-posterior), underscoring the power of the integrated hIPPYlib-MUQ framework.


翻译:Bayesian 推论提供了一种系统的手段,用不确定性量化解决反向问题的方法。然而,部分差异方程式描述的复杂前方模型(PDEs)所制约的巴伊西亚反向问题的解决方案仍然无法用黑盒子Markov连锁 Monte Carlo(MC MC) 方法解决。我们展示了黑盒子Markov 连锁 Monte Collo(MMC) 方法。我们展示了HIPPYlib-MUQ, 这是一种可扩展和可扩缩的软件框架,它包含一些旨在克服高维度、受PDE制约的巴伊西亚反向问题的最新算法。通过这两个图书馆,我们创建了一个强大、可扩缩和高效的内流软件框架,可以用来解决两个互为补充的开放源软件包包包。 hIPYlibYliblibliblical(PIliplibal-MIS) 用自动生成的反向反向问题,但是它缺乏完全的巴伊色反向反向反向工具。MMC 高端的快速的系统,我们从一系列的流路路路路路路路路路路路路路路的系统系统展示了数。

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