Bayesian inference & process convolution models Dave Higdon, Statistical Sciences Group, LANL
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Bayesian inference & process convolution models Dave Higdon, - - PowerPoint PPT Presentation
Bayesian inference & process convolution models Dave Higdon, Statistical Sciences Group, LANL 1 MOVING AVERAGE SPATIAL MODELS 2 Kernel basis representation for spatial processes z ( s ) Define m basis functions k 1 ( s ) , . . . , k m ( s )
1
2
3
4
5
n 2
−1
m 2
−1
2−1
2 −1
2−1
2 −1
2 −1
2−1
7
2
−1
1
z1
0 , 1
u 6 u
9
ˆ
= 1
zk
10
0.2 0.4 0.6 0.8 1 3 2 1 1 2 3 s y(s) 0.2 0.4 0.6 0.8 1 3 2 1 1 2 3 s kj(s) basis functions 200 400 600 800 1000 4 2 2 4 6 8 iteration xj 200 400 600 800 1000 10 20 30 40 50 iteration x, y 20
m
0.2 0.4 0.6 0.8 1 3 2 1 1 2 3 s z(s), y(s) posterior realizations of z(s) 0.2 0.4 0.6 0.8 1 3 2 1 1 2 3 s z(s), y(s) mean & pointwise 90% bounds
21
s y 2 4 6 8 10
0.0 0.5 1.0 1.5
data
s y 2 4 6 8 10
0.0 0.5 1.0 1.5
posterior mean and 80% CI for z(s)
10 20 30 40 50 60 50 100 150 200 lambda_y posterior dist for lam_y 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 50 100 150 200 250 300 lambda_x posterior dist for lam_x
8
s y 2 4 6 8 10
0.0 0.5 1.0 1.5
data
s y 2 4 6 8 10
0.0 0.5 1.0 1.5
posterior mean and 80% CI for z(s)
100 200 300 400 500 600 50 100 150 200 lambda_y posterior dist for lam_y 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 50 100 150 lambda_x posterior dist for lam_x
9
2 4 6 8 10 1.0 0.5 0.0 0.5 1.0 s basis
2 4 6 8 10 1.0 0.5 0.0 0.5 1.0 s basis
10
2 4 6 8 10 1.0 0.5 0.0 0.5 1.0 s basis 2 4 6 8 10 2 4 6 8 10 location s location s
2 4 6 8 10 1.0 0.5 0.0 0.5 1.0 s basis 2 4 6 8 10 2 4 6 8 10 location s location s
2 4 6 8 10 1.0 0.5 0.0 0.5 1.0 s basis 2 4 6 8 10 2 4 6 8 10 location s location s
11
2 4 6 8 10 1.0 0.5 0.0 0.5 1.0 s basis 2 4 6 8 10 2 4 6 8 10 location s location s
2 4 6 8 10 1.0 0.5 0.0 0.5 1.0 s basis 2 4 6 8 10 2 4 6 8 10 location s location s
2 4 6 8 10 1.0 0.5 0.0 0.5 1.0 s basis 2 4 6 8 10 2 4 6 8 10 location s location s
12
13
14
s z(s), x(s) 2 4 6 8 10
1 2 3 s z(s), x(s) 2 4 6 8 10
1 2 3 s z(s), x(s) 2 4 6 8 10
1 2 3 s z(s), x(s) 2 4 6 8 10
1 2 3
m
16
17
n 2
−1
m 2
−1
2−1
2 −1
2−1
2 −1
2 −1
2−1
19
0.0 0.5 1.0 2 4 6 8 10 2 4 6 8 10 0.0 0.5 1.0 0.0 0.5 1.0 0.0 0.5 1.0 0.0 0.5 1.0 0.0 0.5 1.0 2 4 6 8 10 0.0 0.5 1.0 2 4 6 8 10
spatial location s estimated process z(s)
(d) gp model (c) iid x’s; k(s) fat (b) rw x’s; k(s) skinny (a) iid x’s; k(s) skinny
estimated x & Kx
20
60 100
21
60 100
22
xc
λcImc
23
60 100
24
5 10 15 20 5 10 15 20
5 10 15 20 5 10 15 20
25
5 10 15 20 5 10 15 20 2 2 s1
knot values x
s2 x 5 10 15 20 5 10 15 20 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 s1
smoothing kernel
s2 k(s)
5 1 1 5 2 X 5 10 15 20 Y
2 4 Z
5 1 1 5 2 X 5 10 15 20 Y
2 4 Z
5 1 1 5 2 X 5 10 15 20 Y
1 2 3 Z
26
27
1, π(x∗
28
29
2
−1
1
z1
1,z2)
1|z2)
30
31
5 10 15 20 5 10 15 20
5 10 15 20 5 10 15 20
5 10 15 20 5 10 15 20
32
1.3 1.3 1.1 0.9 1.0 1.2 1.1 1.5 1.4 0.7 1.2 1.2 1.0 0.6 1.2 1.7 1.0 0.7 1.5 1.7 1.4 1.8 2.7 1.5 1.8 1.6 1.4 1.1 0.4 1.4 1.0 1.1 1.2 1.4 1.6 2.0 2.1 2.1 2.0 1.5 0.8 2.2 1.6 1.8 0.4 1.3 0.1 1.0 1.6 1.8 1.8 2.4 ? 2.4 2.8 2.0 2.6 1.8 1.9 1.5 1.4 0.1 0.6
1.3 2.1 1.6 1.6 2.0 1.8 1.8 1.8 2.8 0.7 1.1
0.2 0.3 0.4 0.2 1.6 2.0 1.9 2.4 2.5 2.0 1.4 1.4 1.3 1.3 0.6 1.8 1.4 0.7 0.7 0.6 1.8 1.7 1.9 1.9 1.8 1.4 1.5 1.1 1.2 0.4
1.2 1.0
0.3 1.2 1.2 1.7 1.6 1.8 1.7 1.5 1.8 1.6 0.7 0.1 1.3 1.2 0.6 0.6
1.3 0.2 0.9 0.9 0.9 0.6
1.3 1.6 1.7 0.7 0.3 1.2
1.3 0.6 1.3 0.2 0.4 2.8 0.0 0.4 1.6 2.3 1.7 1.4 1.5 2.0 1.3 1.8 1.8 0.9 1.0 1.1
1.1 1.6 1.2 1.8 1.3 1.2 2.9 1.3 ? ? 1.4 1.2 0.0 1.6 1.4 1.4 0.3
0.4 1.7 1.3 0.1 1.4 2.5 ? ? 2.0
0.7
? 1.4 1.3 1.2 1.1 0.1 0.6 0.7
1.2 1.4 3.2 2.0 1.2 0.9
? 1.5 0.3 1.1 1.0 1.1 1.2 0.8 0.8 1.6 1.7 1.7 2.0 0.8 1.8 1.3 2.4 1.6 1.0 0.7 0.7
0.4 0.8 1.0 0.9 ? ? 1.8 1.6 2.2 2.4 1.8 1.4 1.5 0.2 0.7 1.5
2.2 0.8 4.4 1.2 1.4 2.0 2.4 2.4 2.6
1 2 3 4
m
33
· · · · · ·· ·· · · · ·· · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·· ·· · · · · ·· · · · ··· · · · · ·· · · · · · · · · · ·· · · · · · · ·· · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · ··· ·· · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · · ·· ·· · · · · · · · · · · · · · ··· ·· ·· · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · ·· · · · · · · · ·· · · · · ·· ·· · · ·· · · · · ·· · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · ·· · · · · · · · ··· · ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·· · · ··· · · · · · · · · · · · · ·· ·· · · ·· · · · · · · · · · · ·· · · · · · ··· · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · ··· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·· · · ·· · · · · ·· · · · · · · · ·· · · ·· · · · ·· · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · · · ·· ··· · · · · · ·· · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·· · · ·· · · ·· · · · ·· · · ·· · · · · · · · · · ·· · · · · ·· · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · ·· · · · · · · · · ·· · ·· · · · · ·· · · · · · · · · ·· · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · ·· · ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · ·· · · ·· · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · ··
34
Time Well.NW 10 20 30 40 50 60 0.0 0.10 0.20 0.30 Time Well.N 10 20 30 40 50 60 0.0 0.10 0.20 0.30 Time Well.NE 10 20 30 40 50 60 0.0 0.10 0.20 0.30 Time Well.W 10 20 30 40 50 60 0.0 0.10 0.20 0.30 10 20 30 40 50 60 10 20 30 40 50 60 Time Well.E 10 20 30 40 50 60 0.0 0.10 0.20 0.30 Time Well.SW 10 20 30 40 50 60 0.0 0.10 0.20 0.30 Time Well.S 10 20 30 40 50 60 0.0 0.10 0.20 0.30 Time Well.SE 10 20 30 40 50 60 0.0 0.10 0.20 0.30
2 exp
−1
m 2
−1
42
0.42 0.34 0.93 0.52 0.17 P P P I I I I
10 20 30 40 10 20 30
10 20 30 40 10 20 30
10 20 30 40 10 20 30
10 20 30 40 10 20 30
10 20 30 40 10 20 30
10 20 30 40 10 20 30
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
longitude latitude
30W 25W 20W 15W 10W 5W 20N 25N 30N 35N 40N 45N 50N
6 8 10 14 degrees C
53
longitude latitude
30W 25W 20W 15W 10W 5W 20N 25N 30N 35N 40N 45N 50N
54
n 2
−1
m 2
−1
2−1
2 −1
2 −1
2−1
56
30W 25W 20W 15W 10W 5W 20N 25N 30N 35N 40N 45N 50N 6 8 10 12 14
1960
30W 25W 20W 15W 10W 5W 20N 25N 30N 35N 40N 45N 50N 6 8 10 12 14
1965
30W 25W 20W 15W 10W 5W 20N 25N 30N 35N 40N 45N 50N 6 8 10 12 14
1970
30W 25W 20W 15W 10W 5W 20N 25N 30N 35N 40N 45N 50N 6 8 10 12 14
1975
30W 25W 20W 15W 10W 5W 20N 25N 30N 35N 40N 45N 50N 6 8 10 12 14
1980
30W 25W 20W 15W 10W 5W 20N 25N 30N 35N 40N 45N 50N 6 8 10 12 14
1985
57
30W 25W 20W 15W 10W 5W 20N 25N 30N 35N 40N 45N 50N
1
1960
30W 25W 20W 15W 10W 5W 20N 25N 30N 35N 40N 45N 50N
1
1965
30W 25W 20W 15W 10W 5W 20N 25N 30N 35N 40N 45N 50N
1
1970
30W 25W 20W 15W 10W 5W 20N 25N 30N 35N 40N 45N 50N
1
1975
30W 25W 20W 15W 10W 5W 20N 25N 30N 35N 40N 45N 50N
1
1980
30W 25W 20W 15W 10W 5W 20N 25N 30N 35N 40N 45N 50N
1
1985
58
30W 25W 20W 15W 10W 5W 20N 25N 30N 35N 40N 45N 50N 0.0 0.4 0.8
1960
30W 25W 20W 15W 10W 5W 20N 25N 30N 35N 40N 45N 50N 0.0 0.4 0.8
1965
30W 25W 20W 15W 10W 5W 20N 25N 30N 35N 40N 45N 50N 0.0 0.4 0.8
1970
30W 25W 20W 15W 10W 5W 20N 25N 30N 35N 40N 45N 50N 0.0 0.4 0.8
1975
30W 25W 20W 15W 10W 5W 20N 25N 30N 35N 40N 45N 50N 0.0 0.4 0.8
1980
30W 25W 20W 15W 10W 5W 20N 25N 30N 35N 40N 45N 50N 0.0 0.4 0.8
1985
59
60
20 60 100
61
nt 2 exp
−1
ntns 2 exp
−1
62
n 2
−1
nnt 2
−1
m 2
−1
63
2 −1
2 −1
2 −1
2−1
64
i.i.d.
i.i.d.
65
20 60 100
66
67
68