In this work, we demonstrate how physical principles -- such as symmetries, invariances, and conservation laws -- can be integrated into the dynamic mode decomposition (DMD). DMD is a widely-used data analysis technique that extracts low-rank modal structures and dynamics from high-dimensional measurements. However, DMD frequently produces models that are sensitive to noise, fail to generalize outside the training data, and violate basic physical laws. Our physics-informed DMD (piDMD) optimization, which may be formulated as a Procrustes problem, restricts the family of admissible models to a matrix manifold that respects the physical structure of the system. We focus on five fundamental physical principles -- conservation, self-adjointness, localization, causality, and shift-invariance -- and derive several closed-form solutions and efficient algorithms for the corresponding piDMD optimizations. With fewer degrees of freedom, piDMD models are less prone to overfitting, require less training data, and are often less computationally expensive to build than standard DMD models. We demonstrate piDMD on a range of challenging problems in the physical sciences, including energy-preserving fluid flow, travelling-wave systems, the Schr\"odinger equation, solute advection-diffusion, a system with causal dynamics, and three-dimensional transitional channel flow. In each case, piDMD significantly outperforms standard DMD in metrics such as spectral identification, state prediction, and estimation of optimal forcings and responses.


翻译:在这项工作中,我们展示如何将物理原理 -- -- 例如对称性、差异和养护法 -- -- 纳入动态模式分解(DMD)中。DMD是一种广泛使用的数据分析技术,从高维测量中提取低级别模式结构和动态。然而,DMD经常生成对噪音敏感的模型,无法在培训数据之外推广,并违反基本的物理法则。我们的物理学知情的DMD(pid MD)优化(piDMD)可能是一个深度估算问题,将可接受模型的组合限制在尊重系统物理结构的矩阵中。我们侧重于五种基本物理原理 -- -- 保护、自我连接、本地化、因果关系和变异性 -- -- 并为相应的 PiDMD优化产生若干封闭式解决方案和高效的算法。随着自由度的减少,PiDMD模型不易被过度适应,需要较少的培训数据,而且通常比标准DMD模型的计算成本更低。我们展示了在物理科学中具有挑战性的一系列动态、自我连接性、流流流和变异性数据系统,包括能源流、流流流的三种等等等正等等等等等等等等的动态系统。

0
下载
关闭预览

相关内容

LESS 是一个开源的样式语言,受到 Sass 的影响。严格来说,LESS 是一个嵌套的元语言,符合语法规范的 CSS 语句也是符合规范的 Less 代码。
自然语言处理中的文本表示研究
专知会员服务
57+阅读 · 2022年1月10日
专知会员服务
39+阅读 · 2021年6月13日
知识图谱推理,50页ppt,Salesforce首席科学家Richard Socher
专知会员服务
108+阅读 · 2020年6月10日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
176+阅读 · 2019年10月11日
【新书】Python编程基础,669页pdf
专知会员服务
194+阅读 · 2019年10月10日
机器学习入门的经验与建议
专知会员服务
92+阅读 · 2019年10月10日
计算机类 | PLDI 2020等国际会议信息6条
Call4Papers
3+阅读 · 2019年7月8日
计算机 | 国际会议信息5条
Call4Papers
3+阅读 · 2019年7月3日
人工智能 | SCI期刊专刊信息3条
Call4Papers
5+阅读 · 2019年1月10日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
【NIPS2018】接收论文列表
专知
5+阅读 · 2018年9月10日
数据分析师应该知道的16种回归技术:Lasso回归
数萃大数据
16+阅读 · 2018年8月13日
计算机视觉近一年进展综述
机器学习研究会
9+阅读 · 2017年11月25日
gan生成图像at 1024² 的 代码 论文
CreateAMind
4+阅读 · 2017年10月31日
最佳实践:深度学习用于自然语言处理(三)
待字闺中
3+阅读 · 2017年8月20日
Auto-Encoding GAN
CreateAMind
7+阅读 · 2017年8月4日
Arxiv
0+阅读 · 2022年2月10日
VIP会员
相关VIP内容
自然语言处理中的文本表示研究
专知会员服务
57+阅读 · 2022年1月10日
专知会员服务
39+阅读 · 2021年6月13日
知识图谱推理,50页ppt,Salesforce首席科学家Richard Socher
专知会员服务
108+阅读 · 2020年6月10日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
176+阅读 · 2019年10月11日
【新书】Python编程基础,669页pdf
专知会员服务
194+阅读 · 2019年10月10日
机器学习入门的经验与建议
专知会员服务
92+阅读 · 2019年10月10日
相关资讯
计算机类 | PLDI 2020等国际会议信息6条
Call4Papers
3+阅读 · 2019年7月8日
计算机 | 国际会议信息5条
Call4Papers
3+阅读 · 2019年7月3日
人工智能 | SCI期刊专刊信息3条
Call4Papers
5+阅读 · 2019年1月10日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
【NIPS2018】接收论文列表
专知
5+阅读 · 2018年9月10日
数据分析师应该知道的16种回归技术:Lasso回归
数萃大数据
16+阅读 · 2018年8月13日
计算机视觉近一年进展综述
机器学习研究会
9+阅读 · 2017年11月25日
gan生成图像at 1024² 的 代码 论文
CreateAMind
4+阅读 · 2017年10月31日
最佳实践:深度学习用于自然语言处理(三)
待字闺中
3+阅读 · 2017年8月20日
Auto-Encoding GAN
CreateAMind
7+阅读 · 2017年8月4日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员