In this work, we describe a new approach that uses variational encoder-decoder (VED) networks for efficient goal-oriented uncertainty quantification for inverse problems. Contrary to standard inverse problems, these approaches are \emph{goal-oriented} in that the goal is to estimate some quantities of interest (QoI) that are functions of the solution of an inverse problem, rather than the solution itself. Moreover, we are interested in computing uncertainty metrics associated with the QoI, thus utilizing a Bayesian approach for inverse problems that incorporates the prediction operator and techniques for exploring the posterior. This may be particularly challenging, especially for nonlinear, possibly unknown, operators and nonstandard prior assumptions. We harness recent advances in machine learning, i.e., VED networks, to describe a data-driven approach to large-scale inverse problems. This enables a real-time goal-oriented uncertainty quantification for the QoI. One of the advantages of our approach is that we avoid the need to solve challenging inversion problems by training a network to approximate the mapping from observations to QoI. Another main benefit is that we enable uncertainty quantification for the QoI by leveraging probability distributions in the latent space. This allows us to efficiently generate QoI samples and circumvent complicated or even unknown forward models and prediction operators. Numerical results from medical tomography reconstruction and nonlinear hydraulic tomography demonstrate the potential and broad applicability of the approach.


翻译:本文提出一种新方法,使用变分编码器-解码器(VED)网络进行反问题的目标导向不确定性量化。与标准反问题不同,这些方法是以某些感兴趣量(QoI)的估计为目标的,这些量是反问题解的函数,而不是解本身。此外,我们希望计算与QoI相关的不确定性指标,从而利用贝叶斯方法来处理反问题,其中包括预测算子和探索后验概率的技术。这可能特别具有挑战性,特别是针对非线性,可能是未知的运算符和非标准的先验假设。我们利用机器学习的最新进展,即VED网络,描述一种大规模反问题的数据驱动方法。这使得可以实时地对QoI进行目标导向的不确定性量化。我们方法的优点之一在于,我们避免了需要解决具有挑战性的反演问题,而是通过训练网络来近似从观测到QoI的映射。另一个主要优点是,我们通过利用潜在空间中的概率分布,为QoI启用不确定性量化。这使我们能够高效地生成QoI样本并避免复杂或甚至未知的正演模型和预测算子。医学层析成像重建和非线性水力层析成像的数值结果证明了该方法的潜在性和广泛适用性。

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