We propose and compare methods for the analysis of extreme events in complex systems governed by PDEs that involve random parameters, in situations where we are interested in quantifying the probability that a scalar function of the system's solution is above a threshold. If this threshold is large, this probability is small and its accurate estimation is challenging. To tackle this difficulty, we blend theoretical results from large deviation theory (LDT) with numerical tools from PDE-constrained optimization. Our methods first compute parameters that minimize the LDT-rate function over the set of parameters leading to extreme events, using adjoint methods to compute the gradient of this rate function. The minimizers give information about the mechanism of the extreme events as well as estimates of their probability. We then propose a series of methods to refine these estimates, either via importance sampling or geometric approximation of the extreme event sets. Results are formulated for general parameter distributions and detailed expressions are provided when these distribution are Gaussian. We give theoretical and numerical arguments showing that the performance of our methods is insensitive to the extremeness of the events we are interested in. We illustrate the application of our approach to quantify the probability of extreme tsunami events on shore. Tsunamis are typically caused by a sudden, unpredictable change of the ocean floor elevation during an earthquake. We model this change as a random process, which takes into account the underlying physics. We use the one-dimensional shallow water equation to model tsunamis numerically. In the context of this example, we present a comparison of our methods for extreme event probability estimation, and find which type of ocean floor elevation change leads to the largest tsunamis on shore.


翻译:我们提出并比较分析由PDE所管理的复杂系统中极端事件的方法,这些极端事件涉及随机参数,如果我们有兴趣量化系统解决方案的卡路里功能高于阈值的概率。如果这一阈值很大,这一概率很小,其准确估计也具有挑战性。为了解决这一困难,我们将大型偏差理论(LDT)的理论结果与PDE所限制的优化的数字工具混合起来。我们的方法首先计算参数,这些参数将LDT-比率的功能降到导致极端事件的一组参数的最小值上,使用联合方法来计算该比率函数的梯度。最小值提供了极端事件机制及其概率估计的概率。然后我们提出了一系列方法来改进这些估计数,要么是临界值,要么是极端事件各组的重要性抽样,要么是几何近的几何近似近似近似。我们用一个模型来计算其当前方法的表现与我们所感兴趣的极端事件的极端性相比不敏感度。我们用这个模型来说明我们如何将极端性向海平面的海平面的升率进行对比。我们用一个方法来量化这一海上海平面事件的概率的概率。我们用一个模型来计算,在海平面上的海上海平面上的一个模型,我们用一个模型来计算出一个对海上海平面变化的概率的概率的概率的概率的概率的概率。我们用一个模型来计算。我们用一个模型来计算。我们用来来计算。我们用来用来用来用来用来计算。我们用来用来计算海平面的海平面的直地表。我们为海平面地震的概率。我们用来计算。我们用来用来计算出海平面的概率。我们用来计算。我们用来计算海平面地震的直数。我们用来计算。我们用来计算海上海上海平面的底的底的概率的概率的概率的概率的概率的模型, 。我们用来算。我们用来计算出一个模型,我们用来计算出一个模型,我们用来算。我们用来计算出海平面的直程的概率的变化。我们用来计算海平面的推。我们用来计算海的。我们用来计算海平面的直数。我们用来计算海平面的直。我们用来计算。我们用来计算。我们用来计算海平面的底的。我们用来计算海平面的概率。我们海的底的

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