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。

0
下载
关闭预览

相关内容

ACM/IEEE第23届模型驱动工程语言和系统国际会议,是模型驱动软件和系统工程的首要会议系列,由ACM-SIGSOFT和IEEE-TCSE支持组织。自1998年以来,模型涵盖了建模的各个方面,从语言和方法到工具和应用程序。模特的参加者来自不同的背景,包括研究人员、学者、工程师和工业专业人士。MODELS 2019是一个论坛,参与者可以围绕建模和模型驱动的软件和系统交流前沿研究成果和创新实践经验。今年的版本将为建模社区提供进一步推进建模基础的机会,并在网络物理系统、嵌入式系统、社会技术系统、云计算、大数据、机器学习、安全、开源等新兴领域提出建模的创新应用以及可持续性。 官网链接:http://www.modelsconference.org/
【干货书】机器学习速查手册,135页pdf
专知会员服务
124+阅读 · 2020年11月20日
商业数据分析,39页ppt
专知会员服务
159+阅读 · 2020年6月2日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
174+阅读 · 2019年10月11日
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
103+阅读 · 2019年10月9日
最新BERT相关论文清单,BERT-related Papers
专知会员服务
52+阅读 · 2019年9月29日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月18日
IEEE | DSC 2019诚邀稿件 (EI检索)
Call4Papers
10+阅读 · 2019年2月25日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
17+阅读 · 2019年1月7日
无监督元学习表示学习
CreateAMind
27+阅读 · 2019年1月4日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
41+阅读 · 2019年1月3日
Disentangled的假设的探讨
CreateAMind
9+阅读 · 2018年12月10日
已删除
将门创投
4+阅读 · 2018年11月6日
利用动态深度学习预测金融时间序列基于Python
量化投资与机器学习
18+阅读 · 2018年10月30日
Hierarchical Disentangled Representations
CreateAMind
4+阅读 · 2018年4月15日
Auto-Encoding GAN
CreateAMind
7+阅读 · 2017年8月4日
Variational Quantum Singular Value Decomposition
Arxiv
0+阅读 · 2021年6月24日
Arxiv
6+阅读 · 2018年10月3日
VIP会员
相关资讯
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月18日
IEEE | DSC 2019诚邀稿件 (EI检索)
Call4Papers
10+阅读 · 2019年2月25日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
17+阅读 · 2019年1月7日
无监督元学习表示学习
CreateAMind
27+阅读 · 2019年1月4日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
41+阅读 · 2019年1月3日
Disentangled的假设的探讨
CreateAMind
9+阅读 · 2018年12月10日
已删除
将门创投
4+阅读 · 2018年11月6日
利用动态深度学习预测金融时间序列基于Python
量化投资与机器学习
18+阅读 · 2018年10月30日
Hierarchical Disentangled Representations
CreateAMind
4+阅读 · 2018年4月15日
Auto-Encoding GAN
CreateAMind
7+阅读 · 2017年8月4日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员