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ISALT: Inference-based schemes adaptive to large time-stepping for locally Lipschitz ergodic systems
arXiv - CS - Numerical Analysis Pub Date : 2021-02-25 , DOI: arxiv-2102.12669 Xingjie Li, Fei Lu, Felix X. -F. Ye
arXiv - CS - Numerical Analysis Pub Date : 2021-02-25 , DOI: arxiv-2102.12669 Xingjie Li, Fei Lu, Felix X. -F. Ye
Efficient simulation of SDEs is essential in many applications, particularly
for ergodic systems that demand efficient simulation of both short-time
dynamics and large-time statistics. However, locally Lipschitz SDEs often
require special treatments such as implicit schemes with small time-steps to
accurately simulate the ergodic measure. We introduce a framework to construct
inference-based schemes adaptive to large time-steps (ISALT) from data,
achieving a reduction in time by several orders of magnitudes. The key is the
statistical learning of an approximation to the infinite-dimensional
discrete-time flow map. We explore the use of numerical schemes (such as the
Euler-Maruyama, a hybrid RK4, and an implicit scheme) to derive informed basis
functions, leading to a parameter inference problem. We introduce a scalable
algorithm to estimate the parameters by least squares, and we prove the
convergence of the estimators as data size increases. We test the ISALT on three non-globally Lipschitz SDEs: the 1D double-well
potential, a 2D multi-scale gradient system, and the 3D stochastic Lorenz
equation with degenerate noise. Numerical results show that ISALT can tolerate
time-step magnitudes larger than plain numerical schemes. It reaches optimal
accuracy in reproducing the invariant measure when the time-step is
medium-large.
中文翻译:
ISALT:适用于本地Lipschitz遍历系统的基于大时间步长的基于推理的方案
对SDE的高效仿真在许多应用中至关重要,尤其是对于需要对短时动态和长时间统计进行高效仿真的遍历系统。但是,本地的Lipschitz SDE经常需要特殊处理,例如具有较小时间步长的隐式方案,以准确地模拟遍历度。我们引入了一个框架,该框架可用于构造基于推理的方案,以适应数据中的大时间步长(ISALT),从而将时间减少了几个数量级。关键是对无限维离散时间流图的近似值的统计学习。我们探索了使用数值方案(例如Euler-Maruyama,混合RK4和隐式方案)来导出信息基础函数,从而导致参数推断的问题。我们引入了一种可伸缩的算法,以最小二乘估计参数,并且证明了随着数据大小的增加,估计器的收敛性。我们在三个非全局性Lipschitz SDE上测试ISALT:1D双阱势,2D多尺度梯度系统和具有退化噪声的3D随机Lorenz方程。数值结果表明,与普通数值方案相比,ISAL可以容忍更大的时间步幅。当时间步长为中等时,在再现不变度量时达到最佳精度。数值结果表明,与普通数值方案相比,ISAL可以容忍更大的时间步幅。当时间步长为中等时,在再现不变度量时达到最佳精度。数值结果表明,与普通数值方案相比,ISAL可以容忍更大的时间步幅。当时间步长为中等时,在再现不变度量时达到最佳精度。
更新日期:2021-02-26
中文翻译:
ISALT:适用于本地Lipschitz遍历系统的基于大时间步长的基于推理的方案
对SDE的高效仿真在许多应用中至关重要,尤其是对于需要对短时动态和长时间统计进行高效仿真的遍历系统。但是,本地的Lipschitz SDE经常需要特殊处理,例如具有较小时间步长的隐式方案,以准确地模拟遍历度。我们引入了一个框架,该框架可用于构造基于推理的方案,以适应数据中的大时间步长(ISALT),从而将时间减少了几个数量级。关键是对无限维离散时间流图的近似值的统计学习。我们探索了使用数值方案(例如Euler-Maruyama,混合RK4和隐式方案)来导出信息基础函数,从而导致参数推断的问题。我们引入了一种可伸缩的算法,以最小二乘估计参数,并且证明了随着数据大小的增加,估计器的收敛性。我们在三个非全局性Lipschitz SDE上测试ISALT:1D双阱势,2D多尺度梯度系统和具有退化噪声的3D随机Lorenz方程。数值结果表明,与普通数值方案相比,ISAL可以容忍更大的时间步幅。当时间步长为中等时,在再现不变度量时达到最佳精度。数值结果表明,与普通数值方案相比,ISAL可以容忍更大的时间步幅。当时间步长为中等时,在再现不变度量时达到最佳精度。数值结果表明,与普通数值方案相比,ISAL可以容忍更大的时间步幅。当时间步长为中等时,在再现不变度量时达到最佳精度。