Data-driven modeling has become a key building block in computational science and engineering. However, data that are available in science and engineering are typically scarce, often polluted with noise and affected by measurement errors and other perturbations, which makes learning the dynamics of systems challenging. In this work, we propose to combine data-driven modeling via operator inference with the dynamic training via roll outs of neural ordinary differential equations. Operator inference with roll outs inherits interpretability, scalability, and structure preservation of traditional operator inference while leveraging the dynamic training via roll outs over multiple time steps to increase stability and robustness for learning from low-quality and noisy data. Numerical experiments with data describing shallow water waves and surface quasi-geostrophic dynamics demonstrate that operator inference with roll outs provides predictive models from training trajectories even if data are sampled sparsely in time and polluted with noise of up to 10%.


翻译:数据驱动模型已成为计算科学和工程的关键基石,然而,在科学和工程领域可获得的数据通常很少,往往受到噪音的污染,并受到测量错误和其他扰动的影响,因此学习系统动态具有挑战性。在这项工作中,我们提议通过操作者进行数据驱动模型的推断与通过推出神经普通差异方程式进行的动态培训相结合。操作者对推出传统操作者推论的传承继承了可解释性、可缩放性和结构保护性,同时通过在多个时间步骤中推出动态培训,以提高从低质量和噪音数据中学习的稳定性和稳健性。用描述浅水波和地表准地球营养动态的数据进行的数值实验表明,即使数据在时间上取样过少,并受到高达10%的噪音的污染,操作者从培训轨迹中推断出预测模型。

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