We address a three-tier data-driven approach to solve the inverse problem in complex systems modelling from spatio-temporal data produced by microscopic simulators using machine learning. In the first step, we exploit manifold learning and in particular parsimonious Diffusion Maps using leave-one-out cross-validation (LOOCV) to both identify the intrinsic dimension of the manifold where the emergent dynamics evolve and for feature selection over the parametric space. In the second step, based on the selected features, we learn the right-hand-side of the effective partial differential equations (PDEs) using two machine learning schemes, namely shallow Feedforward Neural Networks (FNNs) with two hidden layers and single-layer Random Projection Networks(RPNNs) which basis functions are constructed using an appropriate random sampling approach. Finally, based on the learned black-box PDE model, we construct the corresponding bifurcation diagram, thus exploiting the numerical bifurcation analysis toolkit. For our illustrations, we implemented the proposed method to construct the one-parameter bifurcation diagram of the 1D FitzHugh-Nagumo PDEs from data generated by $D1Q3$ Lattice Boltzmann simulations. The proposed method was quite effective in terms of numerical accuracy regarding the construction of the coarse-scale bifurcation diagram. Furthermore, the proposed RPNN scheme was $\sim$ 20 to 30 times less costly regarding the training phase than the traditional shallow FNNs, thus arising as a promising alternative to deep learning for solving the inverse problem for high-dimensional PDEs.


翻译:我们用三层数据驱动的方法来解决使用机器学习的微缩成像模拟器制作的微缩成像模拟器产生的表面-时空数据的复杂系统建模中的逆向问题。第一步,我们利用多种学习,特别是使用假一出交叉校验(LOOCV)的折射投影图,确定新动态演进所在方块的内在层面,并选择对准空间的特征。第二步,根据所选特点,我们学习了有效部分差异方程式(PDEs)的右侧部分方程式,使用了两种机器学习计划,即浅质FSFORward Neal 网络(FNNS),使用两个隐藏层和单层随机投影图网络(RPNNS)来进行多重学习。最后,根据所学的黑盒PDE模型,我们构建了相应的双曲线图,从而利用了数字双曲线分析工具包。我们用两个机器学习的替代方法,即浅色的PDFSHD3级平面平面图,因此,在1 FFSHHH的平面平面平面平面平面平面图中,用1的平面平面平面图的平面平面平面平面平面图的平。

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