MIXED COVARIANCE FUNCTION KRIGING MODEL FOR UNCERTAINTY QUANTIFICATION

克里金 协方差 基函数 协方差函数 数学 不确定度量化 数学优化 超参数 协方差矩阵 多项式的 应用数学 限制最大似然 功能(生物学) 计算机科学 算法 统计 估计理论 进化生物学 生物 数学分析
作者
Kai Cheng,Zhenzhou Lü,Sinan Xiao,Sergey Oladyshkin,Wolfgang Nowak
出处
期刊:International Journal for Uncertainty Quantification [Begell House Inc.]
卷期号:12 (3): 17-30 被引量:2
标识
DOI:10.1615/int.j.uncertaintyquantification.2021035851
摘要

In this paper, we develop a mixed covariance function Kriging (MCF-Kriging) model for uncertainty quantification. The mixed covariance function is a linear combination of a traditional stationary covariance function and a nonsta-tionary covariance function constructed by the inner product of orthonormal polynomial basis functions. We use a weight matrix to control the contribution of each polynomial basis to the whole model representation, and a trade-off parameter is used to balance the contribution of the two different covariance functions. The optimal values of these model hyperparameters are obtained through an iterative algorithm derived by maximum likelihood estimation (MLE), and sparse representation is achieved automatically in the MLE step by removing the basis functions with small contribution. Additionally, the hyperparameters of stationary covariance function are tuned by minimizing the leave-one-out cross-validation error of the surrogate model. For validation, we investigate three benchmark test functions with different dimensionalities, and compare the accuracy and efficiency with the state-of-art sequential PC-Kriging and optimal PC-Kriging models. The results show that the MCF-Kriging model provides comparable performance compared to the two PC-Kriging models for nonlinear problems, that are moderate and even high-dimensional. Finally, we apply our model to a heat conduction problem to demonstrate its effectiveness in engineering application.

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