Non-linear dynamical systems can be handily described by the associated Koopman operator, whose action evolves every observable of the system forward in time. Learning the Koopman operator from data is enabled by a number of algorithms. In this work we present nonasymptotic learning bounds for the Koopman eigenvalues and eigenfunctions estimated by two popular algorithms: Extended Dynamic Mode Decomposition (EDMD) and Reduced Rank Regression (RRR). We focus on time-reversal-invariant Markov chains, implying that the Koopman operator is self-adjoint. This includes important examples of stochastic dynamical systems, notably Langevin dynamics. Our spectral learning bounds are driven by the simultaneous control of the operator norm risk of the estimators and a metric distortion associated to the corresponding eigenfunctions. Our analysis indicates that both algorithms have similar variance, but EDMD suffers from a larger bias which might be detrimental to its learning rate. We further argue that a large metric distortion may lead to spurious eigenvalues, a phenomenon which has been empirically observed, and note that metric distortion can be estimated from data. Numerical experiments complement the theoretical findings.


翻译:非线性动力系统可通过关联的Koopman算子简洁描述,该算子的作用使系统的每个可观测量随时间向前演化。从数据中学习Koopman算子可通过多种算法实现。本研究针对两种流行算法——扩展动态模态分解(EDMD)与降秩回归(RRR)所估计的Koopman本征值和本征函数,给出了非渐近学习界。我们聚焦于时间反演不变马尔可夫链,这意味着Koopman算子为自伴算子。这涵盖了随机动力系统的重要实例,特别是朗格万动力学。我们的谱学习界由估计量的算子范数风险及对应本征函数的度量畸变的同步控制所驱动。分析表明,两种算法具有相似的方差,但EDMD存在更大的偏差,可能对其学习速率不利。我们进一步论证,较大的度量畸变可能导致伪本征值——这一现象已为经验观察所证实,并指出度量畸变可从数据中估计。数值实验对理论发现进行了补充。

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】矩阵代数基础,248页pdf
专知会员服务
88+阅读 · 2021年12月9日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11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
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
105+阅读 · 2019年10月9日
征稿 | CFP:Special Issue of NLP and KG(JCR Q2,IF2.67)
开放知识图谱
1+阅读 · 2022年4月4日
强化学习三篇论文 避免遗忘等
CreateAMind
20+阅读 · 2019年5月24日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22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
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
国家自然科学基金
1+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 · 2013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 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2010年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年3月27日
Arxiv
0+阅读 · 2023年3月24日
Arxiv
11+阅读 · 2022年9月1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
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】矩阵代数基础,248页pdf
专知会员服务
88+阅读 · 2021年12月9日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11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
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
105+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
征稿 | CFP:Special Issue of NLP and KG(JCR Q2,IF2.67)
开放知识图谱
1+阅读 · 2022年4月4日
强化学习三篇论文 避免遗忘等
CreateAMind
20+阅读 · 2019年5月24日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22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
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
相关基金
国家自然科学基金
1+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 · 2013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 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2010年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员