Population dynamics is the study of temporal and spatial variation in the size of populations of organisms and is a major part of population ecology. One of the main difficulties in analyzing population dynamics is that we can only obtain observation data with coarse time intervals from fixed-point observations due to experimental costs or measurement constraints. Recently, modeling population dynamics by using continuous normalizing flows (CNFs) and dynamic optimal transport has been proposed to infer the sample trajectories from a fixed-point observed population. While the sample behavior in CNFs is deterministic, the actual sample in biological systems moves in an essentially random yet directional manner. Moreover, when a sample moves from point A to point B in dynamical systems, its trajectory typically follows the principle of least action in which the corresponding action has the smallest possible value. To satisfy these requirements of the sample trajectories, we formulate the Lagrangian Schr\"odinger bridge (LSB) problem and propose to solve it approximately using neural SDE with regularization. We also develop a model architecture that enables faster computation. Experimental results show that the proposed method can efficiently approximate the population-level dynamics even for high-dimensional data and that using the prior knowledge introduced by the Lagrangian enables us to estimate the trajectories of individual samples with stochastic behavior.


翻译:人口动态是研究生物群规模的时空变化,是人口生态的主要部分。分析人口动态的主要困难之一是,我们只能通过实验成本或测量限制,从固定点观测中以粗略的时间间隔获得观测数据。最近,通过使用连续的正常流动(CNFs)和动态最佳运输模式模拟人口动态,从观察到的固定点人群中推断出样本轨迹。虽然CNF的样本行为具有确定性,但生物系统中的实际样本以基本上随机但方向的方式流动。此外,在动态系统中,当样本从A点移动到B点时,其轨迹通常遵循行动最少的原则,而相应的行动具有最小的价值。为了满足样本轨迹的这些要求,我们制定了Lagrangian Schr\'odjinger桥(LSB)问题,并提议使用神经SDE和正规化来解决这个问题。我们还开发了一个模型结构,能够更快地进行计算。实验结果显示,拟议的方法可以有效地将人口层动态推近我们,甚至能够通过先期数据来将个人动态推算出,从而通过先验数据。

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