In this paper we consider the machine learning (ML) task of predicting tipping point transitions and long-term post-tipping-point behavior associated with the time evolution of an unknown (or partially unknown), non-stationary, potentially noisy and chaotic, dynamical system. We focus on the particularly challenging situation where the past dynamical state time series that is available for ML training predominantly lies in a restricted region of the state space, while the behavior to be predicted evolves on a larger state space set not fully observed by the ML model during training. In this situation, it is required that the ML prediction system have the ability to extrapolate to different dynamics past that which is observed during training. We investigate the extent to which ML methods are capable of accomplishing useful results for this task, as well as conditions under which they fail. In general, we found that the ML methods were surprisingly effective even in situations that were extremely challenging, but do (as one would expect) fail when ``too much" extrapolation is required. For the latter case, we investigate the effectiveness of combining the ML approach with conventional modeling based on scientific knowledge, thus forming a hybrid prediction system which we find can enable useful prediction even when its ML-based and knowledge-based components fail when acting alone. We also found that achieving useful results may require using very carefully selected ML hyperparameters and we propose a hyperparameter optimization strategy to address this problem. The main conclusion of this paper is that ML-based approaches are promising tools for predicting the behavior of non-stationary dynamical systems even in the case where the future evolution (perhaps due to the crossing of a tipping point) includes dynamics on a set outside of that explored by the training data.


翻译:在本文中,我们考虑了与未知(或部分未知)的、非静止的、潜在噪音和混乱的动态系统的时间演变相关的时间演变过程相关的机器学习(ML)任务,即预测临界点的过渡以及长期登点后行为。我们侧重于一个特别具有挑战性的情况,即用于ML培训的过去动态状态时间序列主要位于州空间的有限区域,而所预测的行为在更大的国家空间上演进,而ML模型在培训期间甚至没有完全观察到。在这种情况下,ML预测系统必须有能力推断过去的不同动态(在培训期间所观察到的),非静止的、潜在的噪音和混乱。我们调查ML方法在多大程度上能够为这项任务取得有用的结果,以及这些方法在这种非常困难的情况下,我们发现即使在非常困难的情况下,ML方法也是令人惊讶的,但是(人们会期望)在需要"太多的"基于基础的"外推力"时,也会失败。在后一种情况下,我们调查将ML方法与基于科学知识的常规模拟方法结合起来的有效性,因此,我们也可以在外部的预测中找到一个有效的模型,因此,在选择的ML系统需要这样的结果。

0
下载
关闭预览

相关内容

IEEE图像处理事务涵盖了新颖的理论,算法和体系结构,可在各种应用中形成、捕获、处理、通信、分析和显示图像、视频和多维信号。感兴趣的主题包括但不限于数学、统计和感知建模、表示、形成、编码、过滤、增强、还原、渲染、半色调、搜索和分析图像、视频和多维信号。感兴趣的应用包括图像和视频通信、电子成像、生物医学成像、图像和视频系统以及遥感。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/tip/
100+篇《自监督学习(Self-Supervised Learning)》论文最新合集
专知会员服务
161+阅读 · 2020年3月18日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
167+阅读 · 2019年10月11日
2019年机器学习框架回顾
专知会员服务
35+阅读 · 2019年10月11日
机器学习入门的经验与建议
专知会员服务
90+阅读 · 2019年10月10日
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
99+阅读 · 2019年10月9日
IEEE ICKG 2022: Call for Papers
机器学习与推荐算法
3+阅读 · 2022年3月30日
ACM MM 2022 Call for Papers
CCF多媒体专委会
5+阅读 · 2022年3月29日
AIART 2022 Call for Papers
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年2月13日
【ICIG2021】Check out the hot new trailer of ICIG2021 Symposium9
中国图象图形学学会CSIG
0+阅读 · 2021年12月17日
【ICIG2021】Check out the hot new trailer of ICIG2021 Symposium5
中国图象图形学学会CSIG
1+阅读 · 2021年11月11日
【ICIG2021】Check out the hot new trailer of ICIG2021 Symposium4
中国图象图形学学会CSIG
0+阅读 · 2021年11月10日
强化学习三篇论文 避免遗忘等
CreateAMind
19+阅读 · 2019年5月24日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
25+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
41+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
16+阅读 · 2018年12月24日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2022年8月19日
Arxiv
14+阅读 · 2020年12月17日
VIP会员
相关VIP内容
100+篇《自监督学习(Self-Supervised Learning)》论文最新合集
专知会员服务
161+阅读 · 2020年3月18日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
167+阅读 · 2019年10月11日
2019年机器学习框架回顾
专知会员服务
35+阅读 · 2019年10月11日
机器学习入门的经验与建议
专知会员服务
90+阅读 · 2019年10月10日
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
99+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
IEEE ICKG 2022: Call for Papers
机器学习与推荐算法
3+阅读 · 2022年3月30日
ACM MM 2022 Call for Papers
CCF多媒体专委会
5+阅读 · 2022年3月29日
AIART 2022 Call for Papers
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年2月13日
【ICIG2021】Check out the hot new trailer of ICIG2021 Symposium9
中国图象图形学学会CSIG
0+阅读 · 2021年12月17日
【ICIG2021】Check out the hot new trailer of ICIG2021 Symposium5
中国图象图形学学会CSIG
1+阅读 · 2021年11月11日
【ICIG2021】Check out the hot new trailer of ICIG2021 Symposium4
中国图象图形学学会CSIG
0+阅读 · 2021年11月10日
强化学习三篇论文 避免遗忘等
CreateAMind
19+阅读 · 2019年5月24日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
25+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
41+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
16+阅读 · 2018年12月24日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员