We develop a novel data-driven approach to the inverse problem of classical statistical mechanics: given experimental data on the collective motion of a classical many-body system, how does one characterise the free energy landscape of that system? By combining non-parametric Bayesian inference with physically-motivated constraints, we develop an efficient learning algorithm which automates the construction of approximate free energy functionals. In contrast to optimisation-based machine learning approaches, which seek to minimise a cost function, the central idea of the proposed Bayesian inference is to propagate a set of prior assumptions through the model, derived from physical principles. The experimental data is used to probabilistically weigh the possible model predictions. This naturally leads to humanly interpretable algorithms with full uncertainty quantification of predictions. In our case, the output of the learning algorithm is a probability distribution over a family of free energy functionals, consistent with the observed particle data. We find that surprisingly small data samples contain sufficient information for inferring highly accurate analytic expressions of the underlying free energy functionals, making our algorithm highly data efficient. We consider excluded volume particle interactions, which are ubiquitous in nature, whilst being highly challenging for modelling in terms of free energy. To validate our approach we consider the paradigmatic case of one-dimensional fluid and develop inference algorithms for the canonical and grand-canonical statistical-mechanical ensembles. Extensions to higher-dimensional systems are conceptually straightforward, whilst standard coarse-graining techniques allow one to easily incorporate attractive interactions.


翻译:我们开发了一种新型的数据驱动方法,以应对古典统计力的反面问题:根据关于古典多体系统集体运动的实验数据,实验数据如何将这个系统的自由能源景观定性为一种典型的实验性数据?我们开发了一种高效的学习算法,将非对称的贝叶斯推论与物理动机的制约结合起来,从而将大约自由能源功能的构建自动化。与优化的机器学习方法相比,基于优化的机器学习方法寻求将成本功能降到最低,拟议的巴耶斯推论的核心思想是通过模型,以直接的方式传播一套从物理原理中推导出来的先前的假设。实验数据被用来对可能的模式预测进行概率性权衡。这自然导致人性可解释的算法,同时对预测进行完全不确定的量化。就我们而言,学习算法的输出是自由能源功能系列的概率分布,这与观察的粒子数据数据数据数据数据数据数据数据数据数据采集方法相比,令人惊讶地包含足够的信息,用来推断基础自由能源功能的精确度表达方式,使我们的算法具有高度的数据效率。我们认为,我们测算算出高度的高级的量粒质的计算方法,在高度的模型中,在高度的模型中,我们研究中,可以将一个具有高度的量级的量级的模型中,可以进行一种推判量的能量的模型的模型学的模型的推算。

0
下载
关闭预览

相关内容

【干货书】机器学习速查手册,135页pdf
专知会员服务
122+阅读 · 2020年11月20日
专知会员服务
52+阅读 · 2020年9月7日
Fariz Darari简明《博弈论Game Theory》介绍,35页ppt
专知会员服务
106+阅读 · 2020年5月15日
因果图,Causal Graphs,52页ppt
专知会员服务
238+阅读 · 2020年4月19日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
167+阅读 · 2019年10月11日
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
98+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
23+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
25+阅读 · 2019年5月18日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
15+阅读 · 2019年1月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
41+阅读 · 2019年1月3日
Hierarchical Disentangled Representations
CreateAMind
4+阅读 · 2018年4月15日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
【推荐】决策树/随机森林深入解析
机器学习研究会
5+阅读 · 2017年9月21日
【学习】Hierarchical Softmax
机器学习研究会
4+阅读 · 2017年8月6日
Auto-Encoding GAN
CreateAMind
7+阅读 · 2017年8月4日
最大熵原理(一)
深度学习探索
12+阅读 · 2017年8月3日
Arxiv
1+阅读 · 2021年8月23日
Pointer Graph Networks
Arxiv
7+阅读 · 2020年6月11日
Arxiv
5+阅读 · 2018年4月22日
Arxiv
4+阅读 · 2017年1月2日
VIP会员
相关VIP内容
【干货书】机器学习速查手册,135页pdf
专知会员服务
122+阅读 · 2020年11月20日
专知会员服务
52+阅读 · 2020年9月7日
Fariz Darari简明《博弈论Game Theory》介绍,35页ppt
专知会员服务
106+阅读 · 2020年5月15日
因果图,Causal Graphs,52页ppt
专知会员服务
238+阅读 · 2020年4月19日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
167+阅读 · 2019年10月11日
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
98+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
23+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
25+阅读 · 2019年5月18日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
15+阅读 · 2019年1月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
41+阅读 · 2019年1月3日
Hierarchical Disentangled Representations
CreateAMind
4+阅读 · 2018年4月15日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
【推荐】决策树/随机森林深入解析
机器学习研究会
5+阅读 · 2017年9月21日
【学习】Hierarchical Softmax
机器学习研究会
4+阅读 · 2017年8月6日
Auto-Encoding GAN
CreateAMind
7+阅读 · 2017年8月4日
最大熵原理(一)
深度学习探索
12+阅读 · 2017年8月3日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员