贝叶斯物理约束极限学习机(BPIELM):原理与推导、复现

贝叶斯物理约束ELM原理与实现

目录

1. 问题陈述与总览

2. 极限学习机(ELM)表示:模型与线性化

2.1 ELM 的结构与函数表示

2.2 记号化为线性系统

3. 将物理约束并入 ELM:PIELM 的线性制约方程

3.1 把 PDE、边界条件通过算子作用到 ELM 上

3.2 线性最小二乘与 Moore–Penrose 解(PIELM)

4. 贝叶斯框架:在输出层施加高斯先验并求后验分布

4.1 概率模型假设

4.2 后验分布的解析表达(高斯后验的证明)

5. 预测分布与不确定性量化

6. 逆问题:将未知 PDE 参数纳入输出权重的统一处理

6.1 参数以线性方式出现的情形

6.2 非线性参数的处理(注)

7. 边缘似然(evidence)与超参数选择:Type-II 最大化

7.1 边缘似然的表达

7.2 解析更新​编辑

8. 计算复杂度与数值实现要点

8.1 关键矩阵维度与主导开销

8.2 稳定性与数值技巧

9. 算法总结(步骤化)

10. 理论证明与等价关系小结

11. 扩展与实施注意事项

12. 小结

附录:若干重要恒等式与矩阵运算工具(供教材证明细化使用)

13.将下面代码完整保存为 bpielm_burgers.py 并运行:

说明与使用建议(要点)


本章系统而完整地推导贝叶斯物理约束极限学习机(Bayesian Physics-Informed Extreme Learning Machine, 简称 BPIELM)的数学原理与推理过程。目标是把 BPIELM 的每一步写成教材中可直接采用的教科书章节:从极限学习机(ELM)的结构、将物理约束并入 ELM(PIELM)的线性化处理,到在输出层引入贝叶斯先验并推导后验、预测分布与超参数证据(marginal likelihood)的求解。论述强调逻辑严密、步骤完整、每一处结论给出必要证明或对等价关系的推导。为便于阅读与后续实现,本章按主题分为若干子节,每节既有公式也有文字解释,并在证明中显式列出中间步骤。

重要结论提示(供读者把握要点):

  1. 对于 线性 PDE 问题并采用极限学习机(ELM)结构后,未知函数对输出权重是线性的;在假设观测噪声为高斯白噪声与在输出权重上施加高斯先验后,输出权重的后验分布为解析高斯分布,预测分布亦可解析得到。arXiv

  2. 在该线性化框架下,最大后验估计(MAP)与带正则化的最小二乘解等价;贝叶斯边缘似然(evidence)可以用来选择正则化强度(或先验精度),并且这一过程是解析可解的(Type-II 最大化/证据近似)。

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