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 other constraints. Recently, modeling population dynamics by using continuous normalizing flows (CNFs) and dynamic optimal transport has been proposed to infer the expected trajectory of samples from a fixed-point observed population. While the sample behavior in CNF 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 is such that the corresponding action has the smallest possible value, known as the principle of least action. 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. Our experiments show that our solution to the LSB problem can approximate the dynamics at the population level 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体规模的时空变化,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其他限制因素,从固定点观测中获得粗略的时间间隔的观察数据。最近,通过使用连续正常流动和动态最佳运输模式模拟人口动态,以推断固定点观测人口标本的预期轨迹。虽然CNF的样本行为是确定性的,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,当一个样本在动态系统中从A点移动到B点时,其轨迹是相应的行动具有尽可能小的价值,被称为最低行动原则。为了满足抽样轨迹的这些要求,我们制定了拉格朗吉亚斯科尔斯海丁格桥问题,并提议大约使用神经SDE和正规化来解决该问题。我们还开发了一个模型结构,能够更快地进行计算。我们的LSB问题的解决方案表明,我们对于LSB问题的解决方案可以使我们的动态与先前的样本水平相近,从而通过先期的样本来了解,使我们能够了解单个的动态。

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