Data-driven reduced-order models often fail to make accurate forecasts of high-dimensional nonlinear systems that are sensitive along coordinates with low-variance because such coordinates are often truncated, e.g., by proper orthogonal decomposition, kernel principal component analysis, and autoencoders. Such systems are encountered frequently in shear-dominated fluid flows where non-normality plays a significant role in the growth of disturbances. In order to address these issues, we employ ideas from active subspaces to find low-dimensional systems of coordinates for model reduction that balance adjoint-based information about the system's sensitivity with the variance of states along trajectories. The resulting method, which we refer to as covariance balancing reduction using adjoint snapshots (CoBRAS), is identical to balanced truncation with state and adjoint-based gradient covariance matrices replacing the system Gramians and obeying the same key transformation laws. Here, the extracted coordinates are associated with an oblique projection that can be used to construct Petrov-Galerkin reduced-order models. We provide an efficient snapshot-based computational method analogous to balanced proper orthogonal decomposition. This also leads to the observation that the reduced coordinates can be computed relying on inner products of state and gradient samples alone, allowing us to find rich nonlinear coordinates by replacing the inner product with a kernel function. In these coordinates, reduced-order models can be learned using regression. We demonstrate these techniques and compare to a variety of other methods on a simple, yet challenging three-dimensional system and an axisymmetric jet flow simulation with $10^5$ state variables.


翻译:数据驱动的减少顺序模型往往无法准确预测与低偏差坐标相匹配的高维非线性非线性系统,因为这种坐标往往不精确,例如,通过适当的正心分解、内核主部件分析和自动校正。在以剪切为主的流体流中,非正常性在扰动增长中起着重要作用,这些系统经常遇到这样的系统。为了解决这些问题,我们从活跃的子空间中寻找低维的降低模型坐标系统,以平衡基于联合的系统对美元敏感度的信息与沿轨轨道的状态差异。由此产生的方法,我们称之为使用正心形截图(CoBRAS)进行平衡的减少。与以状态为主的梯度调变异性矩阵在取代系统格拉姆斯和遵守相同的关键变异法方面起着重要作用。在这里,提取的坐标与用于构建 Petrov-Galkin 减序非轨迹模型的低偏差数据相平衡。我们用一个高效的直径直径直径直线性轨道变量坐标来测量流变数。我们用一个简单的直径直径直径直径直径直径直径直径的计算方法来显示一个测量的内基的轨道的内基计算结果。

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