High-fidelity simulations and physical experiments are essential for engineering analysis and design, yet their high cost often makes two critical tasks--global sensitivity analysis (GSA) and optimization--prohibitively expensive. This limitation motivates the common use of Gaussian processes (GPs) as proxy regression models that provide uncertainty-aware predictions from a limited number of high-quality observations. GPs naturally enable efficient sampling strategies that support informed decision-making under uncertainty by extracting information from a subset of possible functions for the model of interest. However, direct sampling from GPs is inefficient due to their infinite-dimensional nature and the high cost associated with large covariance matrix operations. Despite their popularity in machine learning and statistics communities, sampling from GPs has received little attention in the community of engineering optimization. In this paper, we present the formulation and detailed implementation of two notable sampling methods--random Fourier features and pathwise conditioning--for generating posterior samples from GPs at reduced computational cost. Alternative approaches are briefly described. Importantly, we detail how the generated samples can be applied in GSA, single-objective optimization, and multi-objective optimization. We show successful applications of these sampling methods through a series of numerical examples.


翻译:高保真仿真与物理实验是工程分析与设计的基础,然而其高昂成本常使两项关键任务——全局敏感性分析(GSA)与优化——变得难以承受。这一局限推动了高斯过程(GPs)作为代理回归模型的广泛应用,它能够基于有限的高质量观测数据提供具有不确定性感知的预测。高斯过程天然支持高效的采样策略,通过从目标模型可能函数集合的子集中提取信息,为不确定性条件下的决策提供依据。然而,由于高斯过程具有无限维特性,且大规模协方差矩阵运算成本高昂,直接采样效率低下。尽管高斯过程在机器学习与统计学界广受欢迎,其采样方法在工程优化领域却鲜有关注。本文系统阐述两种重要的采样方法——随机傅里叶特征与路径条件采样——的数学表述与详细实现,以降低计算成本生成高斯过程后验样本。文中简要介绍了其他替代方法,并重点详述了生成样本在全局敏感性分析、单目标优化及多目标优化中的具体应用。通过系列数值算例,我们展示了这些采样方法的成功应用。

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高斯过程(Gaussian Process, GP)是概率论和数理统计中随机过程(stochastic process)的一种,是一系列服从正态分布的随机变量(random variable)在一指数集(index set)内的组合。 高斯过程中任意随机变量的线性组合都服从正态分布,每个有限维分布都是联合正态分布,且其本身在连续指数集上的概率密度函数即是所有随机变量的高斯测度,因此被视为联合正态分布的无限维广义延伸。高斯过程由其数学期望和协方差函数完全决定,并继承了正态分布的诸多性质
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