Linear systems occur throughout engineering and the sciences, most notably as differential equations. In many cases the forcing function for the system is unknown, and interest lies in using noisy observations of the system to infer the forcing, as well as other unknown parameters. In differential equations, the forcing function is an unknown function of the independent variables (typically time and space), and can be modelled as a Gaussian process (GP). In this paper we show how the adjoint of a linear system can be used to efficiently infer forcing functions modelled as GPs, after using a truncated basis expansion of the GP kernel. We show how exact conjugate Bayesian inference for the truncated GP can be achieved, in many cases with substantially lower computation than would be required using MCMC methods. We demonstrate the approach on systems of both ordinary and partial differential equations, and by testing on synthetic data, show that the basis expansion approach approximates well the true forcing with a modest number of basis vectors. Finally, we show how to infer point estimates for the non-linear model parameters, such as the kernel length-scales, using Bayesian optimisation.


翻译:在整个工程和科学中都存在线性系统,最明显的是不同方程式。在许多情况下,系统的强制功能并不为人所知,人们的兴趣在于使用系统的噪音观测来推断强迫力,以及其他未知参数。在差异方程式中,强制功能是独立变量的未知功能(通常是时间和空间),可以仿照高萨进程(GP),在本文中,我们展示了如何在使用GP内核的伸缩基础扩张后,利用以GPs为模型的GPs来有效推导以GPs为模型的强制功能。我们展示了如何实现对转结的GPs内核参数的精确的同位贝斯式推断,在许多情况下,计算率大大低于使用MCMC方法要求的数值。我们展示了普通和部分差异方程式的系统方法,以及合成数据的测试方法。我们展示了基础扩张方法以少量基矢量矢量的矢量来估计真正的强迫力。最后,我们展示了如何对非线性模型参数,例如使用Baykernels的模拟尺度进行推算。

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