This paper proposes a novel deep learning approach for approximating evolution operators and modeling unknown autonomous dynamical systems using time series data collected at varied time lags. It is a sequel to the previous works [T. Qin, K. Wu, and D. Xiu, J. Comput. Phys., 395:620--635, 2019], [K. Wu and D. Xiu, J. Comput. Phys., 408:109307, 2020], and [Z. Chen, V. Churchill, K. Wu, and D. Xiu, J. Comput. Phys., 449:110782, 2022], which focused on learning single evolution operator with a fixed time step. This paper aims to learn a family of evolution operators with variable time steps, which constitute a semigroup for an autonomous system. The semigroup property is very crucial and links the system's evolutionary behaviors across varying time scales, but it was not considered in the previous works. We propose for the first time a framework of embedding the semigroup property into the data-driven learning process, through a novel neural network architecture and new loss functions. The framework is very feasible, can be combined with any suitable neural networks, and is applicable to learning general autonomous ODEs and PDEs. We present the rigorous error estimates and variance analysis to understand the prediction accuracy and robustness of our approach, showing the remarkable advantages of semigroup awareness in our model. Moreover, our approach allows one to arbitrarily choose the time steps for prediction and ensures that the predicted results are well self-matched and consistent. Extensive numerical experiments demonstrate that embedding the semigroup property notably reduces the data dependency of deep learning models and greatly improves the accuracy, robustness, and stability for long-time prediction.


翻译:本文提出一种创新的深层次学习方法,用于接近进化操作员,并用在不同时间滞后时段收集的时间序列数据模拟未知的自主动态系统。它是以往工作[T.Qin, K.Wu和D. Xiu, J.Comput., Phys., 395:620-635, 2019], [K. Wu和D. Xiu, J. Comput., J. 408:109307, 2020] 和[Z. Chen, V. Churchill, K. Wu, 和 D. Xiu, J. Comput., Phys., 449:110782, 以固定时间步骤学习单一进化操作员, J. Xi. Cumprocomputututut., J. J. comproductions., etroducal discal compaless main commation the mindal lax the mindal demotional deadal dealalalalalalalalals, magistress the mess the mess the mess the made the messional is missional demotionals messional is mess the mess the mess the messionals mess 和 messals messal 。 我们roisal 和 madeal deal deal deal deal deal demodeal deal deal deal deal deal deal deal deal deal deal deal deal deal 。 我们没有在前研究中首次考虑, 。 我们第一次提出, 和任何不考虑。 我们的演进进进进进进进进进进进制的进制的进制的进的进的进制的进的演算。我们在前工作组的演算。我们的演算。我们的演算, 和任何演算。 和任何演算。我们的演算,我们的演算,我们的演算,我们的演算,我们的演算的演算,我们的演算,我们的演算的演算制的演算制的演算制的演算算制的演算

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