Data-driven reduced-order models often fail to make accurate forecasts of high-dimensional nonlinear dynamical systems that are sensitive along coordinates with low-variance because such coordinates are often truncated, e.g., by proper orthogonal decomposition, kernel principal component analysis, and autoencoders. Such systems are encountered frequently in shear-dominated fluid flows where non-normality plays a significant role in the growth of disturbances. In order to address these issues, we employ ideas from active subspaces to find low-dimensional systems of coordinates for model reduction that balance adjoint-based information about the system's sensitivity with the variance of states along trajectories. The resulting method, which we refer to as covariance balancing reduction using adjoint snapshots (CoBRAS), is analogous to balanced truncation with state and adjoint-based gradient covariance matrices replacing the system Gramians and obeying the same key transformation laws. Here, the extracted coordinates are associated with an oblique projection that can be used to construct Petrov-Galerkin reduced-order models. We provide an efficient snapshot-based computational method analogous to balanced proper orthogonal decomposition. This also leads to the observation that the reduced coordinates can be computed relying on inner products of state and gradient samples alone, allowing us to find rich nonlinear coordinates by replacing the inner product with a kernel function. In these coordinates, reduced-order models can be learned using regression. We demonstrate these techniques and compare to a variety of other methods on a simple, yet challenging three-dimensional system and a nonlinear axisymmetric jet flow simulation with $10^5$ state variables.


翻译:数据驱动降阶模型常难以准确预测高维非线性动力系统,这类系统在低方差坐标方向上具有敏感性,因为此类坐标常被截断(例如通过本征正交分解、核主成分分析及自编码器)。在剪切主导的流体流动中频繁出现此类系统,非正态性对扰动增长起重要作用。为解决这些问题,我们借鉴活动子空间思想,通过平衡系统敏感性的伴随信息与轨迹状态方差,寻找低维坐标系统进行模型降阶。所提出的方法——称为基于伴随快照的协方差平衡降阶(CoBRAS)——类似于用状态与伴随梯度协方差矩阵替代系统Gramian矩阵的平衡截断方法,且遵循相同关键变换律。此处提取的坐标与斜投影相关联,可用于构建Petrov-Galerkin降阶模型。我们提供类似于平衡本征正交分解的高效快照计算方案,进而发现降阶坐标可仅依赖状态与梯度样本的内积计算,通过将内积替换为核函数来获取丰富非线性坐标。在此类坐标下,可使用回归方法学习降阶模型。我们在一个简单但具有挑战性的三维系统及具有$10^5$状态变量的非线性轴对称射流流动模拟中演示这些技术,并与多种其他方法进行对比。

0
下载
关闭预览

相关内容

不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
【硬核书】树与网络上的概率,716页pdf
专知会员服务
77+阅读 · 2021年12月8日
专知会员服务
45+阅读 · 2020年12月18日
专知会员服务
52+阅读 · 2020年12月14日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
机器学习入门的经验与建议
专知会员服务
94+阅读 · 2019年10月10日
量化金融强化学习论文集合
专知
14+阅读 · 2019年12月18日
常用的模型集成方法介绍:bagging、boosting 、stacking
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
无监督元学习表示学习
CreateAMind
27+阅读 · 2019年1月4日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
手把手教你用LDA特征选择
AI研习社
12+阅读 · 2017年8月21日
【推荐】(Keras)LSTM多元时序预测教程
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年8月14日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年5月26日
VIP会员
最新内容
机器的崛起:美海军陆战队组建机器人营思考
专知会员服务
2+阅读 · 今天15:44
无面之战:人工智能如何重绘权力版图
专知会员服务
1+阅读 · 今天15:25
《最强大的军事网状网络》
专知会员服务
8+阅读 · 9月7日
《预测陆军征兵任务分配》110页
专知会员服务
7+阅读 · 9月7日
相关VIP内容
相关资讯
量化金融强化学习论文集合
专知
14+阅读 · 2019年12月18日
常用的模型集成方法介绍:bagging、boosting 、stacking
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
无监督元学习表示学习
CreateAMind
27+阅读 · 2019年1月4日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
手把手教你用LDA特征选择
AI研习社
12+阅读 · 2017年8月21日
【推荐】(Keras)LSTM多元时序预测教程
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年8月14日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员