We propose a new approach to model the collective dynamics of a population of particles evolving with time. As is often the case in challenging scientific applications, notably single-cell genomics, measuring features for these particles requires destroying them. As a result, the population can only be monitored with periodic snapshots, obtained by sampling a few particles that are sacrificed in exchange for measurements. Given only access to these snapshots, can we reconstruct likely individual trajectories for all other particles? We propose to model these trajectories as collective realizations of a causal Jordan-Kinderlehrer-Otto (JKO) flow of measures: The JKO scheme posits that the new configuration taken by a population at time $t+1$ is one that trades off an improvement, in the sense that it decreases an energy, while remaining close (in Wasserstein distance) to the previous configuration observed at $t$. In order to learn such an energy using only snapshots, we propose JKOnet, a neural architecture that computes (in end-to-end differentiable fashion) the JKO flow given a parametric energy and initial configuration of points. We demonstrate the good performance and robustness of the JKOnet fitting procedure, compared to a more direct forward method.


翻译:我们提出一种新的方法来模拟随着时间而变化的粒子群的集体动态。正如挑战性科学应用,特别是单细胞基因组学经常出现的情况一样,测量这些粒子的特征需要摧毁这些粒子。结果,只能通过对以测量为交换而牺牲的几颗粒子进行取样而获得的定期快照来监测这些粒子。由于只能获得这些快照,我们能否为所有其他粒子重建可能个别的轨迹?我们提议模拟这些轨迹,作为约旦-京德尔-元首-奥托(JKO)因果性措施流动的集体认识:JKO计划假定,一个人口在时间上所花的1美元新配置是用来交换改进的,也就是说,它减少能量,同时(瓦塞斯坦距离)与以前观察到的以美元计算的配置保持近距离。为了只用光谱来学习这种能量,我们建议JKOnet,一个对JKO流动进行计算(最终到可变式)的神经结构,以比准能量和最稳健的JKO程序。我们展示了比得直向前方和最稳的状态。

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