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Constrained non-negative matrix factorization enabling real-time insights of in situ and high-throughput experiments

非负矩阵分解 计算机科学 矩阵分解 背景(考古学) 先验概率 因式分解 人工智能 模式识别(心理学) 算法 贝叶斯概率 物理 量子力学 生物 古生物学 特征向量
作者
Phillip M. Maffettone,Aidan C. Daly,Daniel Olds
出处
期刊:Applied physics reviews [American Institute of Physics]
卷期号:8 (4) 被引量:29
标识
DOI:10.1063/5.0052859
摘要

Non-negative matrix factorization (NMF) is an appealing class of methods for performing unsupervised learning on streaming spectral data, particularly in time-sensitive applications such as in situ characterization of materials. These methods seek to decompose a dataset into a small number of components and weights that can compactly represent the underlying signal while effectively reconstructing the observations with minimal error. However, canonical NMF methods have no underlying requirement that the reconstruction uses components or weights that are representative of the true physical processes. In this work, we demonstrate how constraining a subset of the NMF weights or components as rigid priors, provided as known or assumed values, can provide significant improvement in revealing true underlying phenomena. We present a PyTorch-based method for efficiently applying constrained NMF and demonstrate its application to several synthetic examples. Our implementation allows an expert researcher-in-the-loop to provide and dynamically adjust the constraints during a live experiment involving streaming spectral data. Such interactive priors allow researchers to specify known or identified independent components, as well as functional expectations about the mixing or transitions between the components. We further demonstrate the application of this method to measured synchrotron x-ray total scattering data from in situ beamline experiments. In such a context, constrained NMF can result in a more interpretive and scientifically relevant decomposition than canonical NMF or other decomposition techniques. The details of the method are provided, along with general guidance for employing constrained NMF in the extraction of critical information and insights during time-sensitive experimental applications.
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