Learning dynamics governed by differential equations is crucial for predicting and controlling the systems in science and engineering. Neural Ordinary Differential Equation (NODE), a deep learning model integrated with differential equations, learns the dynamics directly from the samples on the trajectory and shows great promise in the scientific field. However, the training of NODE highly depends on the numerical solver, which can amplify numerical noise and be unstable, especially for ill-conditioned dynamical systems. In this paper, to reduce the reliance on the numerical solver, we propose to enhance the supervised signal in learning dynamics. Specifically, beyond learning directly from the trajectory samples, we pre-train a neural differential operator (NDO) to output an estimation of the derivatives to serve as an additional supervised signal. The NDO is pre-trained on a class of symbolic functions, and it learns the mapping between the trajectory samples of these functions to their derivatives. We provide theoretical guarantee on that the output of NDO can well approximate the ground truth derivatives by proper tuning the complexity of the library. To leverage both the trajectory signal and the estimated derivatives from NDO, we propose an algorithm called NDO-NODE, in which the loss function contains two terms: the fitness on the true trajectory samples and the fitness on the estimated derivatives that are output by the pre-trained NDO. Experiments on various of dynamics show that our proposed NDO-NODE can consistently improve the forecasting accuracy.


翻译:由差异方程式调节的学习动态对于预测和控制科学和工程系统至关重要。神经普通分化(NODE)是一个与差异方程式相结合的深层次学习模型,直接从轨迹上的样本中学习动态,在科学领域表现出很大的希望。然而,NODE的培训高度取决于数字解析器,因为数字解析器可以放大数字噪音,不稳定,特别是条件差的动态系统。在本文件中,为了减少对数字解答器的依赖,我们提议加强受监督的学习动态信号。具体地说,除了直接从轨迹样本中学习外,我们还预先培养一个神经差异操作器(NDO)来输出对衍生物的估算,作为额外的受监督信号。NDO接受过一系列象征性功能的预先培训,并学会将这些功能的轨迹样本与其衍生物进行对比。我们从理论上保证NDODO的产出通过正确调整图书馆的复杂度来接近地面真相衍生物。为了利用轨迹信号和NDO的估算衍生物,我们提议了一种称为NDO-NO-NODO的算算法, 其精确度是不断改进的模型的模型。在不断改进的运行前的模型中可以显示。

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