×

基于物理信息的正则化和结构保持,用于通过算子推理从数据中学习稳定的简化模型。 (英语) Zbl 07644880号

小结:算子推理从高维物理系统的轨迹中学习具有多项式非线性项的低维动态系统模型(非侵入模型约简)。这项工作的重点是可以用具有二次和三次非线性项的模型很好地描述的大类物理系统,并提出了一个正则化算子推理,该正则化算子对学习的模型产生稳定性偏差。提出的正则化器是物理信息,它用大范数惩罚高阶项,因此显式利用了基础物理给出的多项式模型形式。这意味着所提出的方法明智地从数据和物理见解中学习,而不仅仅是从数据或物理中学习。此外,还提出了一种算子推理公式,该公式加强了模型约束,以保持线性项的对称性和确定性等结构。数值结果表明,即使在不使用正则化和Tikhonov正则化导致模型不稳定的情况下,通过算子推理和所提出的正则化器和结构保持学习的模型也是准确和稳定的。

MSC公司:

81至XX 量子理论
93至XX 系统论;控制

软件:

娄威纳
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用

参考文献:

[1] Coveney,P.V.公司。;Dougherty,E.R。;Highfield,R.R.,大数据也需要大理论,Phil.Trans。R.Soc.A,3742080,第20160153条,pp.(2016)
[2] Willcox,K.E。;O.加塔斯。;Heimbach,P.,《计算科学中基于物理的建模和逆理论的必要性》,《自然计算》。科学。,1, 3, 166-168 (2021)
[3] Brunton,S.L。;Proctor,J.L。;Kutz,J.N.,通过非线性动力系统的稀疏识别从数据中发现控制方程,Proc。国家。阿卡德。科学。,113, 15, 3932-3937 (2016) ·Zbl 1355.94013号
[4] 瑞士R。;Mainini,L.公司。;佩赫斯托弗,B。;Willcox,K.,《基于投影的模型简化:基于物理的机器学习公式》,计算与流体,179,704-717(2019)·兹比尔1411.65061
[5] 莱斯,M。;佩迪卡里斯,P。;Karniadakis,G.E.,《基于物理的神经网络:解决涉及非线性偏微分方程的正问题和逆问题的深度学习框架》,J.Compute。物理。,378, 686-707 (2019) ·Zbl 1415.68175号
[6] Duraisamy,K。;伊卡里诺,G。;Xiao,H.,《数据时代的湍流建模》,年。流体力学版次。,51, 1, 357-377 (2019) ·Zbl 1412.76040号
[7] 钱,E。;Kramer,B。;佩赫斯托弗,B。;Willcox,K.,Lift&learn:大型非线性动力系统的基于物理的机器学习,Physica D,406,Article 132401 pp.(2020)·Zbl 1493.62512号
[8] Ljung,L.,《系统识别》(1987),普伦蒂斯·霍尔·Zbl 0639.93059号
[9] 安托拉斯,A.C。;Anderson,B.D.O.,《关于标量有理插值问题》,IMA J.Math。控制通知。,3, 2-3, 61-88 (1986) ·Zbl 0637.93014号
[10] 梅奥,A.J。;Antoulas,A.C.,广义实现问题的解决框架,线性代数应用。,425, 2-3, 634-662 (2007) ·兹比尔1118.93029
[11] 安托拉斯,A.C。;比蒂,C.A。;Gugercin,S.,模型简化的插值方法(2021),SIAM·Zbl 1159.93318号
[12] 爱奥尼亚,A.C。;Antoulas,A.C.,《Loewner框架中的数据驱动参数化模型简化》,SIAM J.Sci。计算。,36、3、A984-A1007(2014)·Zbl 1297.65072号
[13] Gosea,I.V。;彼得雷茨基,M。;Antoulas,A.C.,《Loewner框架中线性切换系统的数据驱动模型降阶》,SIAM J.Sci。计算。,40、2、B572-B610(2018)·Zbl 1390.35017号
[14] 舒尔茨,P。;Unger,B。;比蒂,C。;Gugercin,S.,数据驱动结构化实现,线性代数应用。,537, 250-286 (2018) ·Zbl 1373.93087号
[15] 舒尔茨,P。;Unger,B.,《时滞动态系统的数据驱动插值》,《系统控制快报》。,97, 125-131 (2016) ·Zbl 1350.93027号
[16] 安托拉斯,A.C。;Gosea,I.V.公司。;Ionita,A.C.,《Loewner框架中双线性系统的模型简化》,SIAM J.Sci。计算。,38、5、B889-B916(2016)·Zbl 1515.35038号
[17] Gosea,I.V。;卡拉查利奥斯,D.S。;Antoulas,A.C.,从输入输出数据学习二次动力系统的降阶模型,(2021年欧洲控制会议,2021年欧盟控制会议,ECC(2021)),1426-1431
[18] Gosea,I.V。;Antoulas,A.C.,二次双线性系统的数据驱动模型降阶,数值。线性代数应用。,第25、6条,第2200页(2018年)·Zbl 1513.93013号
[19] 本纳,P。;Goyal,P.,多项式系统基于插值的模型降阶,SIAM J.Sci。计算。,43、1、A84-A108(2021)·Zbl 1458.93041号
[20] Gosea,I.V.公司。;彼得雷茨基,M。;Antoulas,A.C.,《Loewner框架中LPV系统的降阶建模》,(2021年第60届IEEE决策与控制会议,2021年IEEE决策和控制会议,CDC(2021)),3299-3305
[21] 佩赫斯托弗,B。;古吉丁,S。;Willcox,K.,用时域Loewner模型进行数据驱动简化模型构建,SIAM J.Sci。计算。,39、5、A2152-A2178(2017)·Zbl 1448.65087号
[22] 卡拉查里奥斯,D.S。;Gosea,I.V。;Antoulas,A.C.,《关于Loewner框架中双线性时域识别和缩减》,3-30(2021),Springer国际出版:Springer International Publishing Cham·Zbl 1480.93280号
[23] Lefteriu,S。;爱奥尼亚,A.C。;Antoulas,A.C.,《基于噪声频率和时域测量的建模系统》,(Willems,J.C.;Hara,S.;Ohta,Y.;Fujioka,H.,《数学系统理论、控制和信号处理中的观点:山本裕隆60岁生日庆典》(2010),施普林格柏林-海德堡:施普林格-柏林-海德堡-柏林,海德堡),365-378·Zbl 1198.93069号
[24] 恩布里,M。;Ionita,A.C.,《Loewner矩阵铅笔的伪光谱》(Beattie,C.;Benner,P.;Embree,M.;Gugercin,S.;Lefteriu,S.,《动力系统的实现和模型简化:纪念塔诺斯·安托拉斯70岁诞辰的节日》(2022),斯普林格国际出版公司:斯普林格出版社Cham),59-78·Zbl 1504.93141号
[25] 德马奇,Z。;Peherstorfer,B.,《利用Loewner有理插值从噪声频率响应数据中学习低维动态系统模型》(Beattie,C.;Benner,P.;Embree,M.;Gugercin,S.;Lefteriu,S.,《动态系统的实现和模型简化:纪念塔诺斯·安托拉斯70岁生日的节日》(2022),Springer International Publishing:施普林格国际出版公司Cham),39-57·兹比尔1504.93038
[26] 施密德,P.J.,数值和实验数据的动态模式分解,J.流体力学。,656, 5-28 (2010) ·兹比尔1197.76091
[27] 罗利,C.W。;Mezic,I。;Bagheri,S。;施拉特,P。;Henningson,D.S.,非线性流动的谱分析,J.流体力学。,641, 115-127 (2009) ·Zbl 1183.76833号
[28] Tu,J.H。;罗利,C.W。;Luchtenburg,D.M。;Brunton,S.L。;Kutz,J.N.,《关于动态模式分解:理论和应用》,J.Compute。动态。,1, 2, 391-421 (2014) ·Zbl 1346.37064号
[29] 库茨,J.N。;Brunton,S.L。;布伦顿,B.W。;Proctor,J.L.,《动态模式分解:复杂系统的数据驱动建模》(2016),SIAM·兹比尔1365.65009
[30] Mezić,I.,动力学系统的谱特性,模型简化和分解,非线性动力学。,41, 1-3, 309-325 (2005) ·Zbl 1098.37023号
[31] M.O.威廉姆斯。;Kevrekidis,I.G。;Rowley,C.W.,《Koopman算子的数据驱动近似:扩展动态模式分解》,《非线性科学杂志》。,25, 6, 1307-1346 (2015) ·Zbl 1329.65310号
[32] Brunton,S.L。;布伦顿,B.W。;Proctor,J.L。;Kutz,J.N.,用于控制的非线性动力系统的Koopman不变子空间和有限线性表示,PLoS One,11,2,Article e0150171 pp.(2016)
[33] 谢弗,H。;Caflisch,R。;Hauck,C.D。;Osher,S.,偏微分方程的稀疏动力学,Proc。国家。阿卡德。科学。,110, 17, 6634-6639 (2013) ·Zbl 1292.35012号
[34] Schaeffer,H.,通过数据发现和稀疏优化学习偏微分方程,Proc。R.Soc.A,473,2197,第20160446页(2017)·Zbl 1404.35397号
[35] Tran,G。;Ward,R.,从高度损坏的数据中精确恢复混沌系统,多尺度模型。模拟。,15, 3, 1108-1129 (2017)
[36] Kaptanoglu,A.A。;卡拉汉,J.L。;Aravkin,A。;汉森,C.J。;Brunton,S.L.,《促进二次非线性动力学数据驱动模型的全局稳定性》,Phys。《流体》第6版,第094401条,pp.(2021)
[37] Brunton,S.L。;Kutz,J.N.,《数据驱动科学与工程》,《机器学习、动态系统与控制》(2022),剑桥大学出版社·Zbl 1487.68001号
[38] 埃里克森,N.B。;Muehlebach,M。;Mahoney,M.,《Lyapunov稳定流体流量预测的基于物理的自动编码器》(机器学习和物理科学研讨会,神经信息处理系统会议(2019年)),1-14
[39] 莫里森,R.E。;奥利弗,T.A。;Moser,R.D.,《表示模型不足:随机算子方法》,SIAM/ASA J.不确定性。数量。,6, 2, 457-496 (2018) ·Zbl 1396.65014号
[40] 特蕾西,B.D。;Duraisamy,K。;Alonso,J.J.,《协助湍流模型开发的机器学习策略》(AIAA第53届航空航天科学会议(2015),AIAA),1-15
[41] 毛利克,R。;San,O.,湍流盲反褶积的神经网络方法,J.流体力学。,831, 151-181 (2017) ·Zbl 1421.76134号
[42] Maulik,R。;圣马力诺。;拉希德,A。;Vedula,P.,使用神经网络的二维湍流子网格建模,J.流体力学。,858, 122-144 (2019) ·Zbl 1415.76405号
[43] Benosman,M。;Borggaard,J。;圣马力诺。;Kramer,B.,基于学习的二维和三维Boussinesq方程降阶模型鲁棒镇定,应用。数学。型号。,49, 162-181 (2017) ·Zbl 1480.93332号
[44] 谢,X。;Mohebujjaman,M。;雷霍尔茨,L.G。;Iliescu,T.,流体流动的数据驱动过滤降阶建模,SIAM J.Sci。计算。,40、3、B834-B857(2018)·Zbl 1412.65158号
[45] 潘,S。;Duraisamy,K.,《封闭模型的数据驱动发现》,SIAM J.Appl。动态。系统。,17, 4, 2381-2413 (2018) ·Zbl 1411.70023号
[46] Benosman,M。;Borggaard,J。;Kramer,B.,基于Lyapunov理论和极值搜索的三维Boussinesq方程的鲁棒POD模型镇定,(美国控制会议。美国控制会议,ACC(2017),IEEE),1827-1832
[47] 佩赫斯托弗,B。;Willcox,K.,基于非侵入投影模型简化的数据驱动算子推断,计算。方法应用。机械。工程,306196-215(2016)·Zbl 1436.93062号
[48] Peherstorfer,B.,《利用算子推断从数据中采样低维马尔可夫动力学以预渐近恢复简化模型》,SIAM J.Sci。计算。,42,A3489-A3515(2020)·Zbl 1456.65120号
[49] 尤伊,W.I.T。;Peherstorfer,B.,从线性抛物型偏微分方程控制的系统数据中学习的非侵入简化模型的概率误差估计,ESAIM:M2AN,55,3,735-761(2021)·Zbl 1480.65269号
[50] 尤伊,W.I.T。;Peherstorfer,B.,从部分观测状态轨迹学习简化模型的非马尔可夫项的算子推断,科学杂志。计算。,88, 3, 91 (2021) ·Zbl 1470.93035号
[51] 钱,E。;Kramer,B。;Marques,A。;Willcox,K.,《转换与学习:非线性模型简化的数据驱动方法》(AIAA航空2019论坛(2019),AIAA),1-11
[52] 本纳,P。;戈亚尔,P。;Kramer,B。;佩赫斯托弗,B。;Willcox,K.,非多项式非线性项系统非侵入模型简化的算子推断,计算。方法应用。机械。工程,372,第113433条pp.(2020)·兹比尔1506.93015
[53] Khodabakhshi,P。;Willcox,K.E.,从提升变换导出的微分代数方程的非侵入数据驱动模型简化,计算。方法应用。机械。工程师,389,第114296条,第(2022)页·Zbl 1507.65135号
[54] Sharma,H。;王,Z。;Kramer,B.,《哈密顿算符推断:哈密顿系统降阶模型的物理保持学习》,《物理D》,431,第133122页,(2022)·Zbl 1487.65193号
[55] W.I.T.Uy,Y.Wang,Y.Wen,B.Peherstorfer,从噪声数据学习低维动态系统模型的主动算子推理,arXiv:2107.09256。
[56] H.Sharma,B.Kramer,在大型机械系统的数据驱动降阶建模中保持拉格朗日结构,arXiv预印本arXiv:2203.06361。
[57] 本纳,P。;戈亚尔,P。;海兰德,J。;Duff,I.P.,《不可压缩流低维模型的算子推断和物理知识学习》,电子。事务处理。数字。分析。,56, 28-51 (2022) ·Zbl 1505.76072号
[58] 瑞士R。;Kramer,B。;Huang,C.等人。;Willcox,K.,《学习单喷射器燃烧过程的基于物理的降阶模型》,AIAA J.,58,6,2658-2672(2020)
[59] McQuarrie,S.A。;Huang,C.等人。;Willcox,K.,《通过单喷射器燃烧过程的规则化操作员推断实现的数据驱动降阶模型》,J.R.Soc.N.Z.,51,2,194-211(2021)
[60] Qian,E.,学习非线性偏微分方程简化模型的科学机器学习方法(2021),麻省理工学院(博士论文)
[61] Tesi,A。;维洛雷斯,F。;Genesio,R.,《通过二次Lyapunov函数进行稳定域估计:多项式系统的凸性和最优性》,(1994年第33届IEEE决策与控制会议论文集,第2卷(1994)),1907-1912
[62] Chesi,G.,通过李亚普诺夫估计连续族的并集估计吸引域,系统控制快报。,56, 4, 326-333 (2007) ·兹伯利1109.37012
[63] Kramer,B.,二次双线性降阶模型的稳定域,SIAM J.Appl。动态。系统。,20, 2, 981-996 (2021) ·兹比尔1472.34105
[64] 本纳,P。;Breiten,T.,非线性模型降阶的双面投影方法,SIAM J.Sci。计算。,37、2、B239-B260(2015)·Zbl 1312.93016号
[65] Genesio,R。;Tesi,A.,二次系统的稳定性分析,IFAC Proc。第22卷,第3卷,195-199(1989)
[66] Antoulas,A.C.,《大尺度动力系统的近似》(2005),SIAM·Zbl 1112.93002号
[67] Rozza,G。;Huynh,D.B.P。;Patera,A.T.,仿射参数化椭圆强制偏微分方程的约化基近似和后验误差估计,Arch。计算。方法工程,15,3,1(2007)
[68] 安托拉斯,A.C。;比蒂,C.A。;Gugercin,S.,大型动力系统的插值模型简化,(大型系统的高效建模和控制(2010),Springer),3-58·兹比尔1229.65103
[69] 本纳,P。;古吉丁,S。;Willcox,K.,参数动力系统基于投影的模型简化方法综述,SIAM Rev.,57,4,483-531(2015)·Zbl 1339.37089号
[70] Lin,Z.,通过Cholesky分解对称正定矩阵的黎曼几何,SIAM J.矩阵分析。申请。,40, 4, 1353-1370 (2019) ·Zbl 07141455号
[71] 海厄姆,N.J.,计算最近对称半正定矩阵,线性代数应用。,103, 103-118 (1988) ·Zbl 0649.65026号
[72] 卡拉什尼科娃,I。;van Bloemen Waanders,B。;Arunajatesan,S。;Barone,M.,通过基于优化的特征值重分配实现线性时不变系统基于投影的降阶模型的稳定性,计算。方法应用。机械。工程,272,251-270(2014)·Zbl 1296.93165号
[73] Gosea,I.V。;Antoulas,A.C.,《Loewner框架中应用的稳定性保持后处理方法》,(2016年IEEE第20届信号和电源完整性研讨会,2016年IEEE-第20届信息和电源完整度研讨会,SPI(2016)),1-4
[74] Köhler,M.,关于各自空间(RH_2)和(RH_infty)中最近稳定广义系统,线性代数应用。,443, 34-49 (2014) ·Zbl 1282.15013号
[75] 博伊德,S。;Vandenberghe,L.,《凸优化》(2009),剑桥出版社
[76] 德鲁特,J。;维伦德尔斯,J。;Willcox,K.,为设计、优化和概率分析获取参数化模型的降阶矩阵插值,国际。J.数字。《液体方法》,63,2,207-230(2010)·Zbl 1188.65110号
[77] Amsallem,D。;Farhat,C.,适用于降阶模型的插值方法及其在气动弹性中的应用,AIAA J.,46,7,1803-1813(2008)
[78] Gu,C.,Qlmor:一种基于投影的非线性模型降阶方法,使用非线性系统的二次线性表示,IEEE Trans。计算-辅助设计。集成。电路系统。,30, 9, 1307-1320 (2011)
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。