Advances in data science are leading to new progresses in the analysis and understanding of complex dynamics for systems with experimental and observational data. With numerous physical phenomena exhibiting bursting, flights, hopping, and intermittent features, stochastic differential equations with non-Gaussian L\'evy noise are suitable to model these systems. Thus it is desirable and essential to infer such equations from available data to reasonably predict dynamical behaviors. In this work, we consider a data-driven method to extract stochastic dynamical systems with non-Gaussian asymmetric (rather than the symmetric) L\'evy process, as well as Gaussian Brownian motion. We establish a theoretical framework and design a numerical algorithm to compute the asymmetric L\'evy jump measure, drift and diffusion (i.e., nonlocal Kramers-Moyal formulas), hence obtaining the stochastic governing law, from noisy data. Numerical experiments on several prototypical examples confirm the efficacy and accuracy of this method. This method will become an effective tool in discovering the governing laws from available data sets and in understanding the mechanisms underlying complex random phenomena.


翻译:数据科学的进步正在导致对具有实验和观测数据的系统复杂动态的分析和理解取得新的进展。随着许多物理现象出现爆发、飞行、购物和间歇性特征,非加利安L\'evy噪音的随机差异方程式适合于模拟这些系统。因此,从现有数据中推断出这些方程式以合理预测动态行为是可取和必要的。在这项工作中,我们考虑一种数据驱动的方法,用非加西亚不对称(而不是对称性)L\'evy过程以及高斯布朗运动来提取随机的动态系统。我们建立了一个理论框架并设计了一种数字算法,用以计算不对称L\'evy跳跃测量、漂移和传播(即非本地克拉默斯-莫亚尔公式),从而从噪音数据中获取管理法理学。关于若干原型例子的数值实验证实了这一方法的功效和准确性。这一方法将成为一个有效的工具,用以从现有复杂数据集中发现管理法则,并了解各种随机现象的机制。

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