A useful approach to solve inverse problems is to pair the parameter-to-data map with a stochastic dynamical system for the parameter, and then employ techniques from filtering to estimate the parameter given the data. Three classical approaches to filtering of nonlinear systems are the extended, ensemble and unscented Kalman filters. The extended Kalman inversion (ExKI) is impractical when the forward map is not readily differentiable and given as a black box, and also for high dimensional parameter spaces because of the need to propagate large covariance matrices. Ensemble Kalman inversion (EKI) 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 demonstrate that unscented Kalman methods also provide an effective tool for derivative-free inversion in the setting of black-box forward models, introducing unscented Kalman inversion (UKI). Theoretical analysis is provided for linear inverse problems, and a smoothing property of the data mis-fit under the unscented transform is explained. We provide numerical experiments, including various applications: learning subsurface flow permeability parameters; learning the structure damage field; learning the Navier-Stokes initial condition; and learning subgrid-scale parameters in a general circulation model. The theory and experiments show that the UKI outperforms the EKI on parameter learning problems with moderate numbers of parameters and outperforms the ExKI on problems where the forward model is not readily differentiable, or where the derivative is very sensitive. In particular, UKI based methods are of particular value for parameter estimation problems in which the number of parameters is moderate but the forward model is expensive and provided as a black box which is impractical to differentiate.


翻译:解决反向问题的有用方法是将参数到数据图配成一个参数的随机动态系统,然后将参数的参数的参数比对成一个中度参数的参数动态系统,然后从过滤中采用技术来估计给定的数据参数。非线性系统过滤的三种古典方法是扩展的、混合的和不鼓励的 Kalman 过滤器。 扩展的 Kalman 倒版( Exki) 是不切实际的。 如果远方地图不易区分, 并且作为黑盒的黑盒, 并且由于需要传播大量 Coevari 矩阵, 并且对于中度的中度参数空间参数空间空间空间来说也是不切实际的。 变版的 Emememble Kalman (EKI) 已经形成一个有用的工具, 它是一个有用的工具, 克服了这两个问题: 它是衍生出来的, 它是自由的, 并且用低位的 Coltive orrial URLI 和 初始化 应用程序的平滑性 。

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