Shear viscosity, though being a fundamental property of all liquids, is computationally expensive to estimate from equilibrium molecular dynamics simulations. Recently, Machine Learning (ML) methods have been used to augment molecular simulations in many contexts, thus showing promise to estimate viscosity too in a relatively inexpensive manner. However, ML methods face significant challenges like overfitting when the size of the data set is small, as is the case with viscosity. In this work, we train several ML models to predict the shear viscosity of a Lennard-Jones (LJ) fluid, with particular emphasis on addressing issues arising from a small data set. Specifically, the issues related to model selection, performance estimation and uncertainty quantification were investigated. First, we show that the widely used performance estimation procedure of using a single unseen data set shows a wide variability on small data sets. In this context, the common practice of using Cross validation (CV) to select the hyperparameters (model selection) can be adapted to estimate the generalization error (performance estimation) as well. We compare two simple CV procedures for their ability to do both model selection and performance estimation, and find that k-fold CV based procedure shows a lower variance of error estimates. We discuss the role of performance metrics in training and evaluation. Finally, Gaussian Process Regression (GPR) and ensemble methods were used to estimate the uncertainty on individual predictions. The uncertainty estimates from GPR were also used to construct an applicability domain using which the ML models provided more reliable predictions on another small data set generated in this work. Overall, the procedures prescribed in this work, together, lead to robust ML models for small data sets.


翻译:皮肤粘度虽然是所有液体的基本属性,但计算成本昂贵,无法从平衡分子动态模拟中估算出平衡分子动态。最近,机器学习(ML)方法被用于在许多情况下增加分子模拟,从而显示以相对廉价的方式估计粘度的希望。然而,模型透度方法面临重大挑战,例如,在数据集规模小时,与粘度一样,在粘度方面,过度调整数据集的大小。在这项工作中,我们培训了数个ML模型,以预测Lennad-Jones(LJ)流体(LJ)的切视度,特别强调解决小型数据集产生的问题。具体地说,对模型选择、性能估计和不确定性量化问题量化方法的相关问题进行了调查。首先,我们表明,使用单一的无形数据集广泛使用的性业绩估计程序表明小数据集的变异性。在这方面,使用Cross验证(CV)来选择超度计(模型选择)的常见做法可以用来估计通用错误(绩效估计),并特别强调处理小数值,我们比较了两个小的CV程序,以其预测成本估算方法的模型、业绩估计方法,最后使用了C工作估计方法。

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