This paper is focused on the optimization approach to the solution of inverse problems. We introduce a stochastic dynamical system in which the parameter-to-data map is embedded, with the goal of employing techniques from nonlinear Kalman filtering to estimate the parameter given the data. The extended Kalman filter (which we refer to as ExKI in the context of inverse problems) can be effective for some inverse problems approached this way, but is impractical when the forward map is not readily differentiable and is given as a black box, and also for high dimensional parameter spaces because of the need to propagate large covariance matrices. Application of ensemble Kalman filters, for example use of the ensemble Kalman inversion (EKI) algorithm, has emerged as a useful tool which overcomes both of these issues: it is derivative free and works with a low-rank covariance approximation formed from the ensemble. In this paper, we work with the ExKI, EKI, and a variant on EKI which we term unscented Kalman inversion (UKI). The paper contains two main contributions. Firstly, we identify a novel stochastic dynamical system in which the parameter-to-data map is embedded. We present theory in the linear case to show exponential convergence of the mean of the filtering distribution to the solution of a regularized least squares problem. This is in contrast to previous work in which the EKI has been employed where the dynamical system used leads to algebraic convergence to an unregularized problem. Secondly, we show that the application of the UKI to this novel stochastic dynamical system yields improved inversion results, in comparison with the application of EKI to the same novel stochastic dynamical system.


翻译:本文侧重于解决反向问题的优化方法 。 我们引入了一个随机动态系统, 将参数对数据映射嵌入其中, 目的是使用非线性卡尔曼过滤技术来估计给定数据的参数 。 扩展的 Kalman 过滤器( 在反向问题中称为 ExKI ) 能够有效解决以这种方式处理的某些反向问题, 但是当远方地图不易区分, 并且作为黑盒给出时, 并且由于需要传播大型变异矩阵, 并且对于高维参数空间也不切实际 。 使用全套的 Kalman 过滤器, 例如, 将使用通识性 Kalman 转换( EKI) 过滤器来估算给给数据中的参数 。 扩展 Kalman 过滤器是一个有用的工具, 可以克服这两个问题: 它是衍生的, 工作与从低调调调调调调调调调调调调调, 而在本文中, 我们与 EKalman 转换为非centrial 版本( UNI ) 的变校正 系统显示一个动态变压的系统, 向正的系统显示一个动态变压变压的系统 。 我们向正式变压的系统向正态变压的系统显示一个动态变压 。 向正态变压的系统 向直向正态变压的系统 。

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