Accurately learning the temporal behavior of dynamical systems requires models with well-chosen learning biases. Recent innovations embed the Hamiltonian and Lagrangian formalisms into neural networks and demonstrate a significant improvement over other approaches in predicting trajectories of physical systems. These methods generally tackle autonomous systems that depend implicitly on time or systems for which a control signal is known apriori. Despite this success, many real world dynamical systems are non-autonomous, driven by time-dependent forces and experience energy dissipation. In this study, we address the challenge of learning from such non-autonomous systems by embedding the port-Hamiltonian formalism into neural networks, a versatile framework that can capture energy dissipation and time-dependent control forces. We show that the proposed \emph{port-Hamiltonian neural network} can efficiently learn the dynamics of nonlinear physical systems of practical interest and accurately recover the underlying stationary Hamiltonian, time-dependent force, and dissipative coefficient. A promising outcome of our network is its ability to learn and predict chaotic systems such as the Duffing equation, for which the trajectories are typically hard to learn.


翻译:精确地了解动态系统的时间行为要求有选择的学习偏差模型。最近的创新将汉密尔顿和拉格朗格正式主义嵌入神经网络,并展示了在预测物理系统轨迹方面与其他方法相比的重大改进。这些方法通常处理那些以时间或系统为首要控制信号的间接依赖时间或系统的自主系统。尽管取得了这一成功,许多真实的世界动态系统都是不自主的,受时间依赖的力量和经验的能量消散所驱动。在这项研究中,我们通过将港口-汉堡正式主义嵌入神经网络来应对从这种非自主系统中学习的挑战,而神经网络是一个多功能的框架,可以捕捉到能量消散和依赖时间的控制力量。我们表明,拟议的“emph{port-Hamiltonian神经网络”能够有效地了解实际感兴趣的非线性物理系统的动态,并准确地恢复基本的固定的汉密尔顿、时间依赖的力量和消散系数。我们网络的一个大有希望的结果是其学习和预测混乱系统的能力,例如典型的断裂式方程式。

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