Data-driven approximations of the Koopman operator are promising for predicting the time evolution of systems characterized by complex dynamics. Among these methods, the approach known as extended dynamic mode decomposition with dictionary learning (EDMD-DL) has garnered significant attention. Here we present a modification of EDMD-DL that concurrently determines both the dictionary of observables and the corresponding approximation of the Koopman operator. This innovation leverages automatic differentiation to facilitate gradient descent computations through the pseudoinverse. We also address the performance of several alternative methodologies. We assess a 'pure' Koopman approach, which involves the direct time-integration of a linear, high-dimensional system governing the dynamics within the space of observables. Additionally, we explore a modified approach where the system alternates between spaces of states and observables at each time step -- this approach no longer satisfies the linearity of the true Koopman operator representation. For further comparisons, we also apply a state space approach (neural ODEs). We consider systems encompassing two and three-dimensional ordinary differential equation systems featuring steady, oscillatory, and chaotic attractors, as well as partial differential equations exhibiting increasingly complex and intricate behaviors. Our framework significantly outperforms EDMD-DL. Furthermore, the state space approach offers superior performance compared to the 'pure' Koopman approach where the entire time evolution occurs in the space of observables. When the temporal evolution of the Koopman approach alternates between states and observables at each time step, however, its predictions become comparable to those of the state space approach.


翻译:基于数据驱动的Koopman算子近似方法在预测具有复杂动力学特性系统的时间演化方面具有广阔前景。其中,基于字典学习的扩展动态模态分解(EDMD-DL)方法备受关注。本文提出一种改进的EDMD-DL方法,可同时确定可观测函数字典及对应的Koopman算子近似。该创新利用自动微分技术,通过伪逆运算实现梯度下降计算。我们还评估了若干替代方法的性能:包括"纯"Koopman方法(直接在可观测函数空间中对线性高维系统进行时间积分),以及一种改进方法(系统在每个时间步交替切换状态空间与可观测函数空间),后者不再满足真实Koopman算子表示的线性性质。为进一步比较,我们同时应用了状态空间方法(神经ODE)。研究涵盖具有稳态、振荡和混沌吸引子的二维及三维常微分方程组,以及呈现日益复杂精细行为的偏微分方程系统。我们的框架显著优于EDMD-DL方法。此外,状态空间方法比"纯"Koopman方法(完全在可观测函数空间进行时间演化)表现出更优性能。然而,当Koopman方法的时间演化在每个时间步交替切换状态与可观测函数时,其预测能力可达与状态空间方法相当的水平。

0
下载
关闭预览

相关内容

Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
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
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9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
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
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
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26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
47+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
3+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
2+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
消耗优势:美军的“精确规模化”概念
专知会员服务
7+阅读 · 6月15日
《离线语言支持系统:面向空战战术决策》
专知会员服务
8+阅读 · 6月15日
俄乌战场地面机器人如何改写战争规则
专知会员服务
9+阅读 · 6月14日
《无人水面艇文献综述与结构设计》135页
专知会员服务
16+阅读 · 6月13日
相关VIP内容
相关资讯
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
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
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
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26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
47+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
3+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
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员