Constructing surrogate models for uncertainty quantification (UQ) on complex partial differential equations (PDEs) having inherently high-dimensional $\mathcal{O}(10^{\ge 2})$ stochastic inputs (e.g., forcing terms, boundary conditions, initial conditions) poses tremendous challenges. The curse of dimensionality can be addressed with suitable unsupervised learning techniques used as a pre-processing tool to encode inputs onto lower-dimensional subspaces while retaining its structural information and meaningful properties. In this work, we review and investigate thirteen dimension reduction methods including linear and nonlinear, spectral, blind source separation, convex and non-convex methods and utilize the resulting embeddings to construct a mapping to quantities of interest via polynomial chaos expansions (PCE). We refer to the general proposed approach as manifold PCE (m-PCE), where manifold corresponds to the latent space resulting from any of the studied dimension reduction methods. To investigate the capabilities and limitations of these methods we conduct numerical tests for three physics-based systems (treated as black-boxes) having high-dimensional stochastic inputs of varying complexity modeled as both Gaussian and non-Gaussian random fields to investigate the effect of the intrinsic dimensionality of input data. We demonstrate both the advantages and limitations of the unsupervised learning methods and we conclude that a suitable m-PCE model provides a cost-effective approach compared to alternative algorithms proposed in the literature, including recently proposed expensive deep neural network-based surrogates and can be readily applied for high-dimensional UQ in stochastic PDEs.


翻译:用于复杂部分差异方程式(PDEs)的不确定性量化(UQ)的构造代谢模型(UQ) 。 在这项工作中,我们审查并调查13维的削减方法,包括线性和非线性、光谱、盲源分离、 convex 和非convex 方法,并使用由此形成的嵌入方法,通过多角度混乱扩张(PCE)构建对利息量的映射。我们把一般建议的方法称为Mtrop PCE(m-PCE),该方法与任何研究的尺寸减小方法所产生的潜层相匹配。为了调查这些方法的能力和局限性,我们为三种基于物理的系统(以非线性和非线性、光谱、盲源分离、 convex 和非convex 方法)进行数字测试,并使用由此形成的嵌入的嵌入式方法(例如强迫性条件、边界条件、初始条件、初始条件),通过多维面混杂条件扩张(PC PC) 构建对利息量量的映射图。我们提出的高层次的内位进模型和高层次精度模型,可以提供高层次精度精度的模型。

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