Bayesian inference provides a systematic framework for integration of data with mathematical models to quantify the uncertainty in the solution of the inverse problem. However, the solution of Bayesian inverse problems governed by complex forward models described by partial differential equations (PDEs) remains prohibitive with black-box Markov chain Monte Carlo (MCMC) methods. We present hIPPYlib-MUQ, an extensible and scalable software framework that contains implementations of state-of-the art algorithms aimed to overcome the challenges of high-dimensional, PDE-constrained Bayesian inverse problems. These algorithms accelerate MCMC sampling by exploiting the geometry and intrinsic low-dimensionality of parameter space via derivative information and low rank approximation. The software integrates two complementary open-source software packages, hIPPYlib and MUQ. hIPPYlib solves PDE-constrained inverse problems using automatically-generated adjoint-based derivatives, but it lacks full Bayesian capabilities. MUQ provides a spectrum of powerful Bayesian inversion models and algorithms, but expects forward models to come equipped with gradients and Hessians to permit large-scale solution. By combining these two libraries, we created a robust, scalable, and efficient software framework that realizes the benefits of each and allows us to tackle complex large-scale Bayesian inverse problems. To illustrate the capabilities of hIPPYlib-MUQ, we present a comparison of a number of MCMC methods on several inverse problems. These include problems with linear and nonlinear PDEs, various noise models, and different parameter dimensions. The results demonstrate that large ($\sim 50\times$) speedups over conventional black box and gradient-based MCMC algorithms can be obtained by exploiting Hessian information (from the log posterior), underscoring the power of the integrated hIPPYlib-MUQ framework.


翻译:Bayesian 推断提供了一个系统框架,将数据与数学模型整合,以量化解决反向问题的方法的不确定性。然而,通过部分差异方程式(PDEs)描述的复杂前方模型,解决巴伊西亚的反面问题仍然令人望而却步。我们介绍了黑盒子Markov连锁 Monte Carlo(MMC)方法。我们介绍了黑盒子Markov 连锁 Monte Carlo(MMC ) 。HIPPY-MUQ(一个可扩展和可扩缩的软件框架),它包含实施最新艺术算法,旨在克服高分辨率、受约束的Bayesian反向问题的挑战。这些算法通过利用衍生信息和低级近级近距离信息,加速了MMC的取样,加速了对参数空间的地理测量和内在的低维度的取样。该软件将两个互为补充的开源软件软件包包,HIPYlibyl和MUQ(使用自动生成的自动生成的双向双向流流流流流模型) 。这些基模型可以让我们从两个大型的系统实现大型版本和可升级的系统。

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