We develop a data-driven method, based on semi-supervised classification, to predict the asymptotic state of multistable systems when only sparse spatial measurements of the system are feasible. Our method predicts the asymptotic behavior of an observed state by quantifying its proximity to the states in a precomputed library of data. To quantify this proximity, we introduce a sparsity-promoting metric-learning (SPML) optimization, which learns a metric directly from the precomputed data. The optimization problem is designed so that the resulting optimal metric satisfies two important properties: (i) It is compatible with the precomputed library, and (ii) It is computable from sparse measurements. We prove that the proposed SPML optimization is convex, its minimizer is non-degenerate, and it is equivariant with respect to scaling of the constraints. We demonstrate the application of this method on two multistable systems: a reaction-diffusion equation, arising in pattern formation, which has four asymptotically stable steady states and a FitzHugh-Nagumo model with two asymptotically stable steady states. Classifications of the multistable reaction-diffusion equation based on SPML predict the asymptotic behavior of initial conditions based on two-point measurements with 95% accuracy when moderate number of labeled data are used. For the FitzHugh-Nagumo, SPML predicts the asymptotic behavior of initial conditions from one-point measurements with 90% accuracy. The learned optimal metric also determines where the measurements need to be made to ensure accurate predictions.


翻译:我们开发了一种基于半监督分类的数据驱动方法,以预测在系统空间测量不足的情况下,多稳定系统在系统空间测量不可行的情况下的无症状状态。 我们的方法通过在预先配置的数据库中量化与各州的距离,来预测观察到的国家的无症状行为。 为了量化这种接近性, 我们引入了一种宽度- 促进性(SPML)的衡量方法, 直接从预置数据中学习一个计量。 优化的测量方法的设计是为了使由此产生的最佳度量满足两个重要属性:(一) 它与预配置的准确度测量相兼容, (二) 它与稀释的测量相兼容。 我们证明, 拟议的SPML优化是非减损性, 其最小度是非减损性, 与限制的缩略性( SPML) 相比, 我们展示了这种方法在两个多表化系统中的应用: 反振荡式方程式, 在模式形成中, 具有四个平稳的状态, 并且与预置的准确性精确性( FitzHUG-NA-NA) 初步的精确性数据模型, 需要两个基于精确的精确的精确的精确度数据模型。

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