Быстрое предсказание и оценка гравитационных волн с использованием суррогатных моделей

Модераторы: morozov, mike@in-russia, Editor

Ответить
Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30911
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Быстрое предсказание и оценка гравитационных волн с использованием суррогатных моделей

Номер сообщения:#1   morozov » Пт авг 31, 2018 12:19

Fast Prediction and Evaluation of Gravitational Waveforms Using Surrogate Models

Abstract

We propose a solution to the problem of quickly and accurately predicting gravitational waveforms within any given physical model. The method is relevant for both real-time applications and more traditional scenarios where the generation of waveforms using standard methods can be prohibitively expensive. Our approach is based on three offline steps resulting in an accurate reduced order model in both parameter and physical dimensions that can be used as a surrogate for the true or fiducial waveform family. First, a set of m parameter values is determined using a greedy algorithm from which a reduced basis representation is constructed. Second, these m parameters induce the selection of m time values for interpolating a waveform time series using an empirical interpolant that is built for the fiducial waveform family. Third, a fit in the parameter dimension is performed for the waveform’s value at each of these m times. The cost of predicting L waveform time samples for a generic parameter choice is of order O(mL+mcfit) online operations, where cfit denotes the fitting function operation count and, typically, m≪L. The result is a compact, computationally efficient, and accurate surrogate model that retains the original physics of the fiducial waveform family while also being fast to evaluate. We generate accurate surrogate models for effective-one-body waveforms of nonspinning binary black hole coalescences with durations as long as 105M, mass ratios from 1 to 10, and for multiple spherical harmonic modes. We find that these surrogates are more than 3 orders of magnitude faster to evaluate as compared to the cost of generating effective-one-body waveforms in standard ways. Surrogate model building for other waveform families and models follows the same steps and has the same low computational online scaling cost. For expensive numerical simulations of binary black hole coalescences, we thus anticipate extremely large speedups in generating new waveforms with a surrogate. As waveform generation is one of the dominant costs in parameter estimation algorithms and parameter space exploration, surrogate models offer a new and practical way to dramatically accelerate such studies without impacting accuracy. Surrogates built in this paper, as well as others, are available from GWSurrogate, a publicly available python package.

Мы предлагаем решение проблемы быстрого и точного прогнозирования гравитационных сигналов в любой заданной физической модели. Этот метод имеет отношение как к приложениям реального времени, так и к более традиционным сценариям, где генерация сигналов с использованием стандартных методов может быть чрезмерно дорогостоящей. Наш подход основан на трех автономных шагах, что приводит к точной модели уменьшенного порядка как в параметрах, так и в физических измерениях, которые могут использоваться в качестве суррогата для истинного или фидуциального семейства осциллограмм. Во-первых, набор значений параметра m определяется с использованием жадного алгоритма, из которого построено приведенное базовое представление. Во-вторых, эти m параметров индуцируют выбор m временных значений для интерполяции временного ряда формы волны с использованием эмпирического интерполятора, который построен для семейства фидуциальных осциллограмм. В-третьих, для измерения значения сигнала в каждом из этих m раз выполняется измерение размера параметра. Стоимость предсказания временных выборок формы волны L для выбора общего параметра составляет порядка O (мл + mcfit) онлайн-операций, где cfit обозначает счет операции функции подгонки и, как правило, mklL. Результатом является компактная, вычислительно эффективная и точная суррогатная модель, которая сохраняет исходную физику семейства волновых форм, а также быстро оценивается. Мы генерируем точные суррогатные модели для эффективных одночастичных форм несовпадения двойных коалесценций черных дыр с длительностью до 105 М, массовых отношений от 1 до 10 и для нескольких сферических гармонических мод. Мы находим, что эти суррогаты более чем на 3 порядка быстрее оценивают по сравнению со стоимостью генерации эффективных сигналов одного тела стандартными способами. Суррогатное построение модели для других семейств осциллограмм и моделей следует тем же самым шагам и имеет такую ​​же низкую вычислительную стоимость онлайн-масштабирования. Для дорогостоящего численного моделирования двойных коалесценций черных дыр мы, таким образом, ожидаем чрезвычайно больших ускорений в генерации новых осциллограмм с суррогатом. Поскольку генерация сигналов является одной из доминирующих затрат в алгоритмах оценки параметров и исследования пространства параметров, суррогатные модели предлагают новый и практичный способ резко ускорить такие исследования, не влияя на точность. Суррогаты, созданные в этой статье, а также другие, доступны в GWSurrogate, общедоступном пакете python.

https://journals.aps.org/prx/pdf/10.110 ... X.4.031006
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30911
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Быстрое предсказание и оценка гравитационных волн с использованием суррогатных моделей

Номер сообщения:#2   morozov » Пт авг 31, 2018 12:20

Изображение
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Ответить

Вернуться в «Дискуссионный клуб / Debating-Society»