Dynamical systems are typically governed by a set of linear/nonlinear differential equations. Distilling the analytical form of these equations from very limited data remains intractable in many disciplines such as physics, biology, climate science, engineering and social science. To address this fundamental challenge, we propose a novel Physics-informed Spline Learning (PiSL) framework to discover parsimonious governing equations for nonlinear dynamics, based on sparsely sampled noisy data. The key concept is to (1) leverage splines to interpolate locally the dynamics, perform analytical differentiation and build the library of candidate terms, (2) employ sparse representation of the governing equations, and (3) use the physics residual in turn to inform the spline learning. The synergy between splines and discovered underlying physics leads to the robust capacity of dealing with high-level data scarcity and noise. A hybrid sparsity-promoting alternating direction optimization strategy is developed for systematically pruning the sparse coefficients that form the structure and explicit expression of the governing equations. The efficacy and superiority of the proposed method has been demonstrated by multiple well-known nonlinear dynamical systems, in comparison with a state-of-the-art method.


翻译:典型的动态系统由一组线性/非线性差异方程式管理。从非常有限的数据中提取这些方程式的分析形式在许多学科,例如物理学、生物学、气候科学、工程学和社会科学中仍然难以找到。为了应对这一根本挑战,我们提议了一个全新的物理知情的Spline Learning(PISL)框架,以发现非线性动态的模糊的治理方程式,其基础是稀有抽样的吵闹数据。关键概念是:(1) 利用样条来对动态进行本地插接,进行分析性区分,建立候选术语库;(2) 使用极少的正方程式代表,(3) 利用物理残留物作为样条学习的参考; 样条和发现的基本物理学之间的协同作用导致处理高水平数据稀缺和噪音的强大能力; 开发一种混合的松动-促进交替方向优化战略,以便系统地处理构成正统方程式结构和明确表达的稀薄系数。 与州- 方法相比,多种已知的非线性动态系统证明了拟议方法的功效和优越性。

0
下载
关闭预览

相关内容

因果图,Causal Graphs,52页ppt
专知会员服务
243+阅读 · 2020年4月19日
深度强化学习策略梯度教程,53页ppt
专知会员服务
178+阅读 · 2020年2月1日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
57+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
149+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
39+阅读 · 2019年10月9日
MIT新书《强化学习与最优控制》
专知会员服务
273+阅读 · 2019年10月9日
LibRec 精选:AutoML for Contextual Bandits
LibRec智能推荐
7+阅读 · 2019年9月19日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
17+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
41+阅读 · 2019年1月3日
计算机类 | ISCC 2019等国际会议信息9条
Call4Papers
5+阅读 · 2018年12月25日
Disentangled的假设的探讨
CreateAMind
9+阅读 · 2018年12月10日
Reinforcement Learning: An Introduction 2018第二版 500页
CreateAMind
11+阅读 · 2018年4月27日
Hierarchical Disentangled Representations
CreateAMind
4+阅读 · 2018年4月15日
强化学习族谱
CreateAMind
26+阅读 · 2017年8月2日
Arxiv
6+阅读 · 2019年12月30日
Generalization and Regularization in DQN
Arxiv
6+阅读 · 2019年1月30日
VIP会员
相关VIP内容
因果图,Causal Graphs,52页ppt
专知会员服务
243+阅读 · 2020年4月19日
深度强化学习策略梯度教程,53页ppt
专知会员服务
178+阅读 · 2020年2月1日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
57+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
149+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
39+阅读 · 2019年10月9日
MIT新书《强化学习与最优控制》
专知会员服务
273+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
LibRec 精选:AutoML for Contextual Bandits
LibRec智能推荐
7+阅读 · 2019年9月19日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
17+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
41+阅读 · 2019年1月3日
计算机类 | ISCC 2019等国际会议信息9条
Call4Papers
5+阅读 · 2018年12月25日
Disentangled的假设的探讨
CreateAMind
9+阅读 · 2018年12月10日
Reinforcement Learning: An Introduction 2018第二版 500页
CreateAMind
11+阅读 · 2018年4月27日
Hierarchical Disentangled Representations
CreateAMind
4+阅读 · 2018年4月15日
强化学习族谱
CreateAMind
26+阅读 · 2017年8月2日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员