Reservoir Computing (RC) is a simple and efficient model-free framework for data-driven predictions of nonlinear dynamical systems. Recently, Next Generation Reservoir Computing (NGRC) has emerged as an especially attractive variant of RC. By shifting the nonlinearity from the reservoir to the readout layer, NGRC requires less data and has fewer hyperparameters to optimize, making it suitable for challenging tasks such as predicting basins of attraction. Here, using paradigmatic multistable systems including magnetic pendulums and coupled Kuramoto oscillators, we show that the performance of NGRC models can be extremely sensitive to the choice of readout nonlinearity. In particular, by incorporating the exact nonlinearity from the original equations, NGRC trained on a single trajectory can predict pseudo-fractal basins with almost perfect accuracy. However, even a small uncertainty on the exact nonlinearity can completely break NGRC, rendering the prediction accuracy no better than chance. This creates a catch-22 for NGRC since it may not be able to make useful predictions unless a key part of the system being predicted (i.e., its nonlinearity) is already known. Our results highlight the challenges faced by data-driven methods in learning complex dynamical systems.


翻译:储量计算(RC)是一个简单而高效的无模型框架,用于对非线性动态系统进行数据驱动的预测。最近,下一代储量计算(NGRC)已经成为一个特别有吸引力的RC变方。通过将非线性从储油库转移到读出层,NGRC需要的数据较少,而且要优化的超光度也较少,使其适合预测吸引盆地等具有挑战性的任务。在这里,使用模式性多频系统,包括磁支流和仓本振荡器,我们显示NGRC模型的性能对于选择读出非线性非常敏感。特别是,通过将原方程式的准确非线性纳入,NGRC在单一轨迹上受训的不直线性可以预测出几乎完全准确的假形分质盆地。然而,即使精确非线性上的微小不确定性也能完全打破NGRC,使得预测准确性强于偶然。这为NRC创造了22,因为它可能无法做出有用的预测,除非系统的关键部分被预知的动态性(i) 正在预测的系统所面临的挑战。

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