Discovering dynamical models to describe underlying dynamical behavior is essential to draw decisive conclusions and engineering studies, e.g., optimizing a process. Experimental data availability notwithstanding has increased significantly, but interpretable and explainable models in science and engineering yet remain incomprehensible. In this work, we blend machine learning and dictionary-based learning with numerical analysis tools to discover governing differential equations from noisy and sparsely-sampled measurement data. We utilize the fact that given a dictionary containing huge candidate nonlinear functions, dynamical models can often be described by a few appropriately chosen candidates. As a result, we obtain interpretable and parsimonious models which are prone to generalize better beyond the sampling regime. Additionally, we integrate a numerical integration framework with dictionary learning that yields differential equations without requiring or approximating derivative information at any stage. Hence, it is utterly effective in corrupted and sparsely-sampled data. We discuss its extension to governing equations, containing rational nonlinearities that typically appear in biological networks. Moreover, we generalized the method to governing equations that are subject to parameter variations and externally controlled inputs. We demonstrate the efficiency of the method to discover a number of diverse differential equations using noisy measurements, including a model describing neural dynamics, chaotic Lorenz model, Michaelis-Menten Kinetics, and a parameterized Hopf normal form.


翻译:探索动态模型以描述潜在的动态行为,对于得出决定性结论和工程研究,例如优化一个过程,至关重要。尽管实验数据的提供显著增加,但实验数据提供量却大大增加,但科学和工程方面的可解释和可解释的模型仍然难以理解。在这项工作中,我们将机器学习和字典学习与数字分析工具相结合,以发现来自噪音和鲜少抽样的测量数据的不同方程式。我们利用这一事实,在包含大量候选非线性功能的字典中,动态模型通常可以由少数适当选择的候选人描述。结果,我们获得了可解释和相似的模型,这些模型很容易在取样制度之外更加普及。此外,我们把数字集成框架与字典学习结合起来,产生不同方程式,而无需或近似于任何阶段的衍生信息。因此,它对于来自杂乱和鲜少抽样的测量数据是完全有效的。我们讨论了它适用于管理方程式的延伸,其中通常含有合理的非线性功能。此外,我们比较了管理方程式的方法,这些方程式容易在参数变化和外部控制的投入中比较。此外,我们展示了一种正常的模型的效率,我们用了一种稳定的模型来研究。

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