Dynamical Systems (DS) are fundamental to the modeling and understanding time evolving phenomena, and have application in physics, biology and control. As determining an analytical description of the dynamics is often difficult, data-driven approaches are preferred for identifying and controlling nonlinear DS with multiple equilibrium points. Identification of such DS has been treated largely as a supervised learning problem. Instead, we focus on an unsupervised learning scenario where we know neither the number nor the type of dynamics. We propose a Graph-based spectral clustering method that takes advantage of a velocity-augmented kernel to connect data points belonging to the same dynamics, while preserving the natural temporal evolution. We study the eigenvectors and eigenvalues of the Graph Laplacian and show that they form a set of orthogonal embedding spaces, one for each sub-dynamics. We prove that there always exist a set of 2-dimensional embedding spaces in which the sub-dynamics are linear and n-dimensional embedding spaces where they are quasi-linear. We compare the clustering performance of our algorithm to Kernel K-Means, Spectral Clustering and Gaussian Mixtures and show that, even when these algorithms are provided with the correct number of sub-dynamics, they fail to cluster them correctly. We learn a diffeomorphism from the Laplacian embedding space to the original space and show that the Laplacian embedding leads to good reconstruction accuracy and a faster training time through an exponential decaying loss compared to the state-of-the-art diffeomorphism-based approaches.
翻译:动态系统(DS)是建模和理解时间变化现象的基础,并且可以应用于物理、生物学和控制。由于确定动态的分析描述往往是困难的,因此数据驱动方法更倾向于用多个平衡点来识别和控制非线性 DS 。 此类 DS的识别在很大程度上被视为一个监管的学习问题。 相反, 我们侧重于一个不受监督的学习场景, 我们既不知道动态的数量, 也不了解动态类型。 我们建议一种基于图表的光谱集成方法, 利用速度平流加速的内核将属于同一动态的数据点连接起来, 同时保存自然的时间演变。 我们研究图 Laplacian 的成形和成像值, 显示它们形成一组或成形的嵌入空间嵌入空间, 显示它们从直流到直流的直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流到直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 向、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 和直至、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 直流、 、 直流、 直流、 直至、 直流、 直至、 直至直至直、 直至、 直至、 直至、 直、 直、 直、 直、 直、 直、 直、 直、 直、 直、 直、 直、 直至、 直、 直、 直、 直、 直、 直、 直、 直、 直、 直、 直、 直、 直、 直、 直至、 直、 直、 直、 直、 直、 直、 直、