We study a class of dynamical systems modelled as Markov chains that admit an invariant distribution via the corresponding transfer, or Koopman, operator. While data-driven algorithms to reconstruct such operators are well known, their relationship with statistical learning is largely unexplored. We formalize a framework to learn the Koopman operator from finite data trajectories of the dynamical system. We consider the restriction of this operator to a reproducing kernel Hilbert space and introduce a notion of risk, from which different estimators naturally arise. We link the risk with the estimation of the spectral decomposition of the Koopman operator. These observations motivate a reduced-rank operator regression (RRR) estimator. We derive learning bounds for the proposed estimator, holding both in i.i.d. and non i.i.d. settings, the latter in terms of mixing coefficients. Our results suggest RRR might be beneficial over other widely used estimators as confirmed in numerical experiments both for forecasting and mode decomposition.


翻译:我们研究的一组动态系统模式是Markov链条,它通过相应的传输或Koopman操作员等操作员的操作员,允许不变化的分布。数据驱动算法来重建这些操作员是众所周知的,但是它们与统计学习的关系基本上没有探索。我们正式确定了一个框架来从动态系统的有限数据轨迹中学习Koopman操作员。我们考虑将这个操作员限制在复制内核希尔伯特空间的范围内,并引入一种风险概念,从而自然产生不同的估计员。我们把风险与估计Koopman操作员的光谱分解相挂钩。这些观察结果鼓励了操作员的降级回归(RRR)估计。我们为拟议的估计员学习了界限,在i.d.和非i.i.d.d.设置中,后者在混合系数方面。我们的结果表明,RRRR可能比在数值实验中证实的其他广泛使用的估计员有益,这些估计者在预测和模式分解中都得到证实。

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