This work explores the physics-driven machine learning technique Operator Inference (OpInf) for predicting the state of chaotic dynamical systems. OpInf provides a non-intrusive approach to infer approximations of polynomial operators in reduced space without having access to the full order operators appearing in discretized models. Datasets for the physics systems are generated using conventional numerical solvers and then projected to a low-dimensional space via Principal Component Analysis (PCA). In latent space, a least-squares problem is set to fit a quadratic polynomial operator which is subsequently employed in a time-integration scheme in order to produce extrapolations in the same space. Once solved, the inverse PCA operation is applied for reconstructing the extrapolations in the original space. The quality of the OpInf predictions is assessed via the Normalized Root Mean Squared Error (NRMSE) metric from which the Valid Prediction Time (VPT) is computed. Numerical experiments considering the chaotic systems Lorenz 96 and the Kuramoto-Sivashinsky equation show promising forecasting capabilities of the OpInf reduced order models with VPT ranges that outperform state-of-the-art machine learning methods such as backpropagation and reservoir computing recurrent neural networks [1], as well as Markov neural operators [2]. The best results based on randomized initial conditions show that Lorenz 96 system can be forecasted up to 6.66 or 3.19 Lyapunov time units corresponding to the forcing terms F=8 and F=10, respectively, while the KS system achieved remarkable 794 Lyapunov time units.


翻译:这项工作探索物理驱动机器学习技术操作员推断( OpInf) 以预测混乱动态系统的状况。 OpInf 提供了一种非侵入性的方法, 用于在不能够使用离散模型中出现的完整定序操作员的情况下, 减少空间中多元操作员的推断近似。 物理系统的数据集是使用常规的数值求解器生成的, 然后通过主构件分析( PCA) 投射到低维空间。 在潜藏空间中, 一个最小方位问题被设定为适合一个四边形的多元操作员, 该操作员随后在一个时间整合计划中使用, 以产生同一空间的外推值。 OpInf 操作为零, 用于重建原始空间中的全部定序操作员。 OpInf 预测的质量是通过正常的根基平方位错误( NRMSE) 衡量, 并据此计算有效预测时间( VPT) 。 在考虑混乱系统Lorrenz 96 和 Kuramato- Sivain 方平方方方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平

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