Scientific machine learning for inferring dynamical systems combines data-driven modeling, physics-based modeling, and empirical knowledge. It plays an essential role in engineering design and digital twinning. In this work, we primarily focus on an operator inference methodology that builds dynamical models, preferably in low-dimension, with a prior hypothesis on the model structure, often determined by known physics or given by experts. Then, for inference, we aim to learn the operators of a model by setting up an appropriate optimization problem. One of the critical properties of dynamical systems is stability. However, this property is not guaranteed by the inferred models. In this work, we propose inference formulations to learn quadratic models, which are stable by design. Precisely, we discuss the parameterization of quadratic systems that are locally and globally stable. Moreover, for quadratic systems with no stable point yet bounded (e.g., chaotic Lorenz model), we discuss how to parameterize such bounded behaviors in the learning process. Using those parameterizations, we set up inference problems, which are then solved using a gradient-based optimization method. Furthermore, to avoid numerical derivatives and still learn continuous systems, we make use of an integral form of differential equations. We present several numerical examples, illustrating the preservation of stability and discussing its comparison with the existing state-of-the-art approach to infer operators. By means of numerical examples, we also demonstrate how the proposed methods are employed to discover governing equations and energy-preserving models.


翻译:用于推断动力系统的科学机器学习融合了数据驱动建模、基于物理的建模和经验知识。该方法在工程设计及数字孪生中具有核心作用。本研究主要聚焦于算子推断方法学——该方法基于模型结构的先验假设(通常由已知物理规律或专家经验确定),构建低维动力模型。在推断过程中,我们通过构建合适的优化问题来学习模型算子。动力系统的一个关键特性是稳定性,然而推断模型无法保证此特性。本文提出可保证设计稳定性的二次模型推断框架。具体而言,我们讨论了局部稳定与全局稳定的二次系统的参数化方法。此外,针对无稳定点但有界二次系统(如混沌Lorenz模型),我们阐述了如何在学习过程中参数化此类有界行为。利用这些参数化方法,我们构建了推断问题,并采用基于梯度的优化方法进行求解。为避免数值导数同时保持连续系统学习能力,我们采用微分方程的积分形式。通过多个数值算例,我们展示了稳定性的保持效果,并与现有最优算子推断方法进行对比分析。数值算例还进一步证明了所提方法在发现控制方程和能量守恒模型中的应用价值。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18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
图机器学习 2.2-2.4 Properties of Networks, Random Graph
图与推荐
10+阅读 · 2020年3月28日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2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
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31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 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31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 · 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 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
7+阅读 · 6月17日
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
8+阅读 · 6月17日
从燃煤战舰到算法战争:水面指挥的永恒要求
专知会员服务
6+阅读 · 6月17日
相关VIP内容
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18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
相关资讯
图机器学习 2.2-2.4 Properties of Networks, Random Graph
图与推荐
10+阅读 · 2020年3月28日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2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
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31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 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31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 · 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 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员