Unstable periodic orbits (UPOs) are the non-chaotic, dynamical building blocks of spatio-temporal chaos, motivating a first-principles based theory for turbulence ever since the discovery of deterministic chaos. Despite their key role in the ergodic theory approach to fluid turbulence, identifying UPOs is challenging for two reasons: chaotic dynamics and the high-dimensionality of the spatial discretization. We address both issues at once by proposing a loop convergence algorithm for UPOs directly within a low-dimensional embedding of the chaotic attractor. The convergence algorithm circumvents time-integration, hence avoiding instabilities from exponential error amplification, and operates on a latent dynamics obtained by pulling back the physical equations using automatic differentiation through the learned embedding function. The interpretable latent dynamics is accurate in a statistical sense, and, crucially, the embedding preserves the internal structure of the attractor, which we demonstrate through an equivalence between the latent and physical UPOs of both a model PDE and the 2D Navier-Stokes equations. This allows us to exploit the collapse of high-dimensional dissipative systems onto a lower dimensional manifold, and identify UPOs in the low-dimensional embedding.


翻译:不稳定周期轨道(UPOs)是时空混沌的非混沌动力学构建模块,自确定性混沌发现以来,一直激励着基于第一性原理的湍流理论发展。尽管UPOs在流体湍流的遍历理论方法中具有关键作用,但其识别面临两大挑战:混沌动力学特性与空间离散化的高维性。我们通过提出一种直接在混沌吸引子的低维嵌入空间内运行的UPO循环收敛算法,同时解决了这两个问题。该收敛算法规避了时间积分,从而避免了指数级误差放大带来的不稳定性,并在通过自动微分技术沿学习到的嵌入函数回推物理方程所获得的潜动力学空间中进行操作。这种可解释的潜动力学在统计意义上是精确的,且关键在于嵌入过程保持了吸引子的内部结构——我们通过模型偏微分方程和二维纳维-斯托克斯方程的潜空间UPOs与物理空间UPOs的等价性证明了这一点。这使得我们能够利用高维耗散系统向低维流形的坍缩特性,在低维嵌入空间中识别UPOs。

0
下载
关闭预览

相关内容

【ICML2025】用于概率时间序列预测的非平稳扩散方法
专知会员服务
10+阅读 · 2025年5月10日
【Yoshua Bengio】生成式流网络,Generative Flow Networks
专知会员服务
32+阅读 · 2022年3月19日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
35+阅读 · 2019年10月18日
ICLR 2019 | 基于复杂空间关系旋转的知识表示方法
PaperWeekly
17+阅读 · 2019年7月29日
【泡泡点云时空】FlowNet3D:学习三维点云中的场景流
泡泡机器人SLAM
41+阅读 · 2019年5月19日
论文浅尝 | 知识图谱三元组置信度的度量
开放知识图谱
24+阅读 · 2019年5月16日
BiSeNet:双向分割网络进行实时语义分割
统计学习与视觉计算组
22+阅读 · 2018年8月23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
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
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
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
Arxiv
0+阅读 · 1月5日
VIP会员
最新内容
世界模型入门:从序贯决策到通用智能体
专知会员服务
4+阅读 · 10月24日
军事域更好使用人工智能的实用指南
专知会员服务
9+阅读 · 10月22日
《衡量语言模型中的作战规划能力》
专知会员服务
14+阅读 · 10月20日
Maven智能系统:帕兰提尔军事人工智能平台详解
专知会员服务
16+阅读 · 10月20日
《测试自动化框架在敏捷软件开发中的角色》
专知会员服务
8+阅读 · 10月20日
俄罗斯如何拦截乌克兰无人机与巡航导弹
专知会员服务
12+阅读 · 10月15日
《武器-目标分配问题:精确与近似求解算法》
专知会员服务
17+阅读 · 10月15日
相关基金
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
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
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
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
Top
微信扫码咨询专知VIP会员