Statistical learning additions to physically derived mathematical models are gaining traction in the literature. A recent approach has been to augment the underlying physics of the governing equations with data driven Bayesian statistical methodology. Coined statFEM, the method acknowledges a priori model misspecification, by embedding stochastic forcing within the governing equations. Upon receipt of additional data, the posterior distribution of the discretised finite element solution is updated using classical Bayesian filtering techniques. The resultant posterior jointly quantifies uncertainty associated with the ubiquitous problem of model misspecification and the data intended to represent the true process of interest. Despite this appeal, computational scalability is a challenge to statFEM's application to high-dimensional problems typically experienced in physical and industrial contexts. This article overcomes this hurdle by embedding a low-rank approximation of the underlying dense covariance matrix, obtained from the leading order modes of the full-rank alternative. Demonstrated on a series of reaction-diffusion problems of increasing dimension, using experimental and simulated data, the method reconstructs the sparsely observed data-generating processes with minimal loss of information, in both posterior mean and the variance, paving the way for further integration of physical and probabilistic approaches to complex systems.


翻译:物理衍生数学模型的统计学习增加在文献中逐渐增加。最近的一种做法是用数据驱动的巴耶西亚统计方法来强化治理方程的基本物理物理原理。coined STAFEM,该方法通过在治理方程中嵌入随机力,承认了先验模型的偏差特性。在收到额外数据后,使用古典巴伊西亚过滤技术更新了离散的有限元素溶液的后端分布。由此产生的后端现象共同量化了与模型误差和旨在代表真正感兴趣的过程的数据的普遍存在问题相关的不确定性。尽管如此,计算性可变性对SATFEM在物理和工业环境中通常经历的高度问题应用是一种挑战。本文章克服了这一障碍,将基础密集的易变异性矩阵的低端近似值嵌入了从全位替代方法的主要顺序模式中获取的。通过实验和模拟数据,用实验和模拟数据模拟数据,将观测到的低位数据整合方法重新构建了以最低程度的复杂数据生成系统。

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