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Introduction to Bayesian inversion & MCMC
Ville Kolehmainen1
1Department of Applied Physics,
Introduction to Bayesian inversion & MCMC Ville Kolehmainen 1 1 - - PowerPoint PPT Presentation
Introduction to Bayesian inversion & MCMC Ville Kolehmainen 1 1 Department of Applied Physics, University of Eastern Finland, Kuopio, Finland CoE Summer School, Helsinki, June 2019 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1Department of Applied Physics,
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5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
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5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
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5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
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◮ Measured data ◮ Model of measurement process ◮ Model of a priori information
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
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◮ π(m | x) is the likelihood density; model of the measurement
◮ πpr(x) is the prior density; model for a priori information. ◮ π(m) is a normalization constant
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◮ “What is the most probable value of x over π(x | m)? ” ◮ “What is the mean of x over π(x | m)? ” ◮ “In what interval are the values of x with 90% (posterior)
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E(x1) = −0.0094962, E(x2) = 0.3537 −2.5 −2 −1.5 −1 −0.5 0.5 1 1.5 2 2.5 −2 −1.5 −1 −0.5 0.5 1 1.5 2 −1 −0.5 0.5 1 1.5 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 −0.5 0.5 1 1.5 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
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◮ Measurement model m = Ax + e, x and e mutually
◮ x is assumed a priori mutually independent zero mean
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◮ f(x) = x
◮ f(x) = (x − xCM)(x − xCM)T
◮ etc ...
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Rn f(x)π(x)dx ≈ 1
N
k=1
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−1 −0.8 −0.6 −0.4 −0.2 0.2 0.4 0.6 0.8 1 −1 −0.8 −0.6 −0.4 −0.2 0.2 0.4 0.6 0.8 1
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Rn f(x)π(x)dx ≈ 1
N
k=1
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◮ All unknowns at a time ◮ Single component xj at a time ◮ A block of unknowns at a time
◮ Update elements chosen in random (random scan) ◮ Systematic order
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0.5 1 1.5 2 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 step parameter τ 0.5 1 1.5 2 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 acceptance ratio γ = 0.4 τ = 7.3871, a = 39.7714%
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1
2
n
2
1 , x(j−1) 3
n
n
1 , . . . , x(j) n−1).
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−∞
j
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1400 1420 1440 1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1400 1420 1440 1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 0.2 0.4 0.6 0.8 1
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E(x1) = −0.0094962, E(x2) = 0.3537 −2.5 −2 −1.5 −1 −0.5 0.5 1 1.5 2 2.5 −2 −1.5 −1 −0.5 0.5 1 1.5 2 −1 −0.5 0.5 1 1.5 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 −0.5 0.5 1 1.5 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
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5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
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◮ x can obtain the values xj ∈ {0, 1} ◮ Case xj = 0 (black, background), case xj = 1 (white, text). ◮ The pixels with value xj = 1 are known to be clustered in
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5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
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5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
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1 2 3 4 5 6 5 10 15 20 25 30 35 40
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◮ Non-negative ◮ The activity is contained in small granules (small pixel
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5 10 15 20 25 30 35 40 5 10 15 20 25 30 35 40 5 10 15 20 25 30 35 40 5 10 15 20 25 30 35 40
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5 10 15 20 25 30 35 40 5 10 15 20 25 30 35 40 5 10 15 20 25 30 35 40 5 10 15 20 25 30 35 40
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50 100 150 200 250 −0.15 −0.1 −0.05 0.05 Measured voltages
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◮ The possible material types {1, 2, . . . , C} inside the body
◮ The possible values of conductivity σ(τ) for different
◮ The different material types are assumed to be clustered in
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◮ Domain Ω with known (constant) background conductivity
◮ The inlcusions have known contrast ◮ Sizes and locations of inclusions unknown
◮ β = 1/A (A is the area of the domain Ω) ◮ A is set of feasible circle configurations (the circle
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