Stochastic differential equations (SDEs) are a fundamental tool for modelling dynamic processes, including gene regulatory networks (GRNs), contaminant transport, financial markets, and image generation. However, learning the underlying SDE from observational data is a challenging task, especially when individual trajectories are not observable. Motivated by burgeoning research in single-cell datasets, we present the first comprehensive approach for jointly estimating the drift and diffusion of an SDE from its temporal marginals. Assuming linear drift and additive diffusion, we prove that these parameters are identifiable from marginals if and only if the initial distribution is not invariant to a class of generalized rotations, a condition that is satisfied by most distributions. We further prove that the causal graph of any SDE with additive diffusion can be recovered from the SDE parameters. To complement this theory, we adapt entropy-regularized optimal transport to handle anisotropic diffusion, and introduce APPEX (Alternating Projection Parameter Estimation from $X_0$), an iterative algorithm designed to estimate the drift, diffusion, and causal graph of an additive noise SDE, solely from temporal marginals. We show that each of these steps are asymptotically optimal with respect to the Kullback-Leibler divergence, and demonstrate APPEX's effectiveness on simulated data from linear additive noise SDEs.


翻译:随机微分方程是建模动态过程的基本工具,涵盖基因调控网络、污染物输运、金融市场及图像生成等领域。然而,从观测数据中学习底层随机微分方程是一项具有挑战性的任务,尤其是在无法观测个体轨迹的情况下。受单细胞数据集研究蓬勃发展的启发,我们提出了首个从时间边际分布联合估计随机微分方程漂移项与扩散项的综合方法。在线性漂移与加性扩散的假设下,我们证明当且仅当初始分布对一类广义旋转变换不具不变性时,这些参数可从边际分布中识别——该条件在大多数分布中均成立。我们进一步证明任何加性扩散随机微分方程的因果图均可从其参数中恢复。为完善该理论,我们改进熵正则化最优传输方法以处理各向异性扩散,并提出了APPEX算法(基于$X_0$的交替投影参数估计)——一种专门从时间边际分布中估计加性噪声随机微分方程的漂移项、扩散项及因果图的迭代算法。我们证明这些步骤在Kullback-Leibler散度意义下均具有渐近最优性,并通过线性加性噪声随机微分方程的模拟数据验证了APPEX算法的有效性。

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
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17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
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
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25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
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
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
1+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
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
相关资讯
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
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25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
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
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
1+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
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员