Time-delay embedding is an increasingly popular starting point for data-driven reduced-order modeling efforts. In particular, the singular value decomposition (SVD) of a block Hankel matrix formed from successive delay embeddings of the state of a dynamical system lies at the heart of several popular reduced-order modeling methods. In this paper, we show that the left singular vectors of this Hankel matrix are a discrete approximation of classical space-time proper orthogonal decomposition (POD) modes, and the singular values are square roots of the POD energies. This connection establishes a clear interpretation of the Hankel modes grounded in classical theory, and we gain insights into the Hankel modes by instead analyzing the equivalent discrete space-time POD modes in terms of the correlation matrix formed by multiplying the Hankel matrix by its conjugate transpose. These insights include the distinct meaning of rows and columns, the implied norm in which the modes are optimal, the impact of the time step between snapshots on the modes, and an interpretation of the embedding dimension/height of the Hankel matrix in terms of the time window on which the modes are optimal. Moreover, the connections we establish offer opportunities to improve the convergence and computation time in certain practical cases, and to improve the accuracy of the modes with the same data. Finally, popular variants of POD, namely the standard space-only POD and spectral POD, are recovered in the limits that snapshots used to form each column of the Hankel matrix represent flow evolution over short and long times, respectively.
翻译:时间延迟嵌入是数据驱动减序建模努力日益流行的起点。 特别是, 动态系统连续延迟嵌入状态形成的块块 Hankel 矩阵的单值分解( SVD) 是几个流行的减序建模方法的核心。 在本文中, 我们显示, 这个 Hankel 矩阵的左单矢量是经典空间时间正确分解( POD) 模式的离散近近度, 单值是 POD 能量的平方根。 这一连接可以明确解释基于经典理论的 Hankel 模式, 我们通过分析等离散空间- 时间 POD 模式, 而不是分析等量的空- 时间模式, 也就是通过将 Hankel 矩阵的相形变形变形变形组合而形成的相关矩阵。 这些洞察见包括行和列的清晰含义、 模式最优化的隐含规范、 缩略图对模式的时间缩略图的影响, 并解释 Hankel 格式的短度/ hold 格式, 也就是时间缩缩缩图,, 和 格式 格式 最优化的缩化 格式 格式 格式 和 格式 格式 格式 格式 格式 和 格式 格式, 和 格式 格式 最优化 格式 格式 格式, 格式, 和 最优化的 格式,, 格式 格式, 和, 格式 格式 格式 格式,,, 最优化 格式, 和 格式 格式 格式,,, 和 格式 格式,,,,,,,, 和,,,,,,,, 和 最优化,, 和 和 和, 格式 格式,,, 和, 格式 格式 格式 和 和 格式,, 格式 格式 和 和, 格式 格式 格式 格式,, 和,,,,,, 和 和 格式 和 和, 格式, 格式 格式 格式 格式 格式 最优化 格式