The data-based discovery of effective, coarse-grained (CG) models of high-dimensional dynamical systems presents a unique challenge in computational physics and particularly in the context of multiscale problems. The present paper offers a probabilistic perspective that simultaneously identifies predictive, lower-dimensional coarse-grained (CG) variables as well as their dynamics. We make use of the expressive ability of deep neural networks in order to represent the right-hand side of the CG evolution law. Furthermore, we demonstrate how domain knowledge that is very often available in the form of physical constraints (e.g. conservation laws) can be incorporated with the novel concept of virtual observables. Such constraints, apart from leading to physically realistic predictions, can significantly reduce the requisite amount of training data which for high-dimensional, multiscale systems are expensive to obtain (Small Data regime). The proposed state-space model is trained using probabilistic inference tools and, in contrast to several other techniques, does not require the prescription of a fine-to-coarse (restriction) projection nor time-derivatives of the state variables. The formulation adopted enables the quantification of a crucial, and often neglected, component in the CG process, i.e. the predictive uncertainty due to information loss. Furthermore, it is capable of reconstructing the evolution of the full, fine-scale system and therefore the observables of interest need not be selected a priori. We demonstrate the efficacy of the proposed framework in a high-dimensional system of moving particles.


翻译:以数据为基础,发现高维动态系统的有效、粗粗的(CG)模型,这是计算物理学方面的独特挑战,特别是在多尺度问题的背景下。本文件提供了一种概率性的观点,同时确定了预测性、低维粗粗的(CG)变量及其动态。我们利用深神经网络的表达能力,以代表CG演变法的右侧。此外,我们证明如何将通常以物理限制(例如保护法)形式提供的域知识纳入虚拟观测的新的效率概念。这些制约因素,除了导致实际现实预测外,还大大减少了为高维、多尺度系统获取所需培训数据的数量(Small数据制度)。我们利用深神经网络的表达能力,以代表CG演变法的右侧。与其他一些技术相比,我们并不要求以精确到相近的(限制)预测或时间分析法)形式提供的域知识与虚拟观测的新型概念相结合。这些制约因素,除了导致实际现实预测之外,还可以大大减少为高尺度系统获取的所需培训数据数量(Small数据系统),因此,在预测前的精确度、精确度、精确的系统中采用的精确度分析过程中,因此不需要对其进行精确的系统进行精确的量化。

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