×

哈密顿系统中映射的辛高斯过程回归。 (英语) Zbl 1471.37072号

摘要:我们提出了一种直接基于轨道数据构建哈密顿流图和庞加莱图的结构保护仿真器的方法。预期的应用是在中等维系统中,特别是在加速器和磁等离子体约束配置中快速带电粒子的长期跟踪。该方法基于离散训练数据的多输出高斯过程(GP)回归。为了获得长期稳定性,通过选择矩阵值协方差函数来实现辛特性。基于早期对样条插值的研究,我们观察到了正则变换生成函数的导数。乘积核产生一个精确的隐式方法,而求和核则产生该方法的快速显式方法。两者在数值积分方面都与辛欧拉方法有关,但实现了互补的目的。所开发的方法首先在摆锤和Hénon-Heiles系统上进行了测试,并将结果与用正交多项式进行的流图光谱回归进行了比较。在标准映射上研究了混沌行为。最后,演示了在扰动托卡马克装置中磁场线追踪的应用。作为一个附加特征,在小映射时间的限制下,哈密顿函数可以用生成函数的一部分进行识别,从而从系统演化的观测时间序列数据中学习。对于隐式GP方法,我们证明了回归性能可与辛流图的谱基和人工神经网络相媲美,适用于Poincaré映射,混沌扩散的正确表示,以及与现有方法相比,学习哈密顿函数的性能大幅提高。
©2021美国物理研究所

MSC公司:

2015年11月37日 动力系统的离散化方法和积分器(辛、变分、几何等)
65页第10页 含辛积分器的哈密顿系统的数值方法
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用

参考文献:

[1] Goldstein,H.,经典力学(1980),Addison-Wesley·Zbl 0491.70001号
[2] Arnold,V.I.,《经典力学的数学方法》,数学研究生教材第60卷(Springer,纽约,1989年)·Zbl 0692.70003号
[3] Marsden,J.E。;Ratiu,T.S.,《力学与对称导论》(1999),Springer:Springer,纽约·Zbl 0933.70003号
[4] Neil,R.M.,“使用哈密顿动力学的MCMC”,载于《马尔可夫链蒙特卡罗手册》,由S.Brooks、A.Gelman、G.L.Jones和X.-L.Meng编辑(Chapman&Hall/CRC,2011),第113-162页·Zbl 1229.65018号
[5] Lichtenberg,A.和Lieberman,M.,《规则和混沌动力学》,应用数学科学(Springer,1992)·Zbl 0748.70001号
[6] 海尔,E。;卢比奇,C。;Wanner,G.,《几何-数值积分:常微分方程的结构保持算法》(2006),Springer·Zbl 1094.65125号
[7] 卡萨斯,F。;Blanes,S.,《几何-数值积分简明导论》(2016),查普曼和霍尔/CRC·Zbl 1343.65146号 ·doi:10.1201/b21563
[8] 麦克拉克伦,R.I。;Quispel,G.R.W.,ODE几何积分器,J.Phys。A: 数学。Gen.,39,5251-5285(2006)·Zbl 1092.65055号 ·doi:10.1088/0305-4470/39/19/S01
[9] 麦克拉克伦,R.I。;Quispel,G.R.W.,分裂方法,数值学报。,11, 341-434 (2002) ·Zbl 1105.65341号 ·doi:10.1017/S0962492902000053
[10] 基斯佩尔,G.R.W。;McLaren,D.I.,一类新的保能数值积分方法,J.Phys。A: 数学。理论。,41, 045206 (2008) ·Zbl 1132.65065号 ·doi:10.1088/1751-8113/41/045206
[11] 达涅利,C。;曼达,B.M。;图迪扬加尔,M。;斯科科斯,C。
[12] Abdullaev,S.S.,哈密顿系统映射的构造及其应用(2006),Springer·Zbl 1106.70001号
[13] Berg,J.S。;Warnock,R.L。;露丝·R·D。;佛瑞斯特,爱沙尼亚。,加速器中粒子非线性运动辛映射的构造,物理学。E版,49,722-739(1994)·doi:10.1103/PhysRevE.49.722
[14] 卡西洛夫S.V。;莫伊森科,V.E。;Heyn,M.F.,用随机映射技术求解弱碰撞区的漂移动力学方程,物理学。等离子体,42422(1997)·doi:10.1063/1.872223
[15] 卡西洛夫S.V。;克恩比赫勒,W。;Nemov,V.V。;Heyn,M.F.,《恒星仪测绘技术》,物理学。等离子体,93508(2002)·数字对象标识代码:10.1063/1.1493793
[16] Warnock,R.、Cai,Y.和Ellison,J.A.,“用插值方法构建大周期辛映射”,报告编号:SLAC-PUB-13867,SLAC国家加速器实验室,2009年。
[17] Bertalan,T。;迪特里希,F。;Mezić,I。;Kevrekidis,I.G.,《从数据中学习哈密顿系统》,《混沌》,29121107(2019)·doi:10.1063/1.5128231
[18] 伯比,J.W。;唐奇。;R·莫利克。
[19] 德科,G。;Brauer,W.,非线性高阶统计去相关的体积保护神经结构,神经网络。,8, 525-535 (1995) ·doi:10.1016/0893-6080(94)00108-X
[20] Parra,L.C.,“辛非线性成分分析”,摘自《第八届神经信息处理系统国际会议论文集:NIPS’95》(麻省理工学院出版社,马萨诸塞州剑桥,1995年),第437-443页。
[21] 灰蝶,S。;Dzamba,M。;约辛斯基,J。
[22] 陈,Z。;张杰。;Arjovsky,M。;L.博图。
[23] 托斯,P。;Rezende,D.J。;Jaegle,A。;拉卡尼埃,S。;Botev,A。;希金斯,I。
[24] Jin,P。;张,Z。;朱,A。;Tang,Y。;卡尼亚达基斯,G.E。
[25] 洛杉矶帕拉。
[26] 李,S.-H。;东,C.-X。;张,L。;Wang,L.,辛流的神经正则变换,物理学。版本X,102102020(2020)·doi:10.10103/物理版本X.10.021020
[27] 哈姆齐,B。;H·奥瓦迪。
[28] 莱斯,M。;佩迪卡里斯,P。;Karniadakis,G.E.,《利用噪声多保真数据推断微分方程解》,J.Compute。物理。,335, 736-746 (2017) ·Zbl 1382.65229号 ·doi:10.1016/j.jcp.2017.01.060
[29] 拉斯穆森,C.E。;Williams,C.K.I.,《机器学习的高斯过程(自适应计算和机器学习)》(2005),麻省理工学院出版社
[30] Solak,E.、Murray-Smith,R.、Leithead,W.E.、Leith,D.J.和Rasmussen,C.E.,“动态系统高斯过程模型中的导数观测”,摘自《神经信息处理系统进展》第15期,由S.Becker,S.Thrun和K.Obermayer编辑(麻省理工出版社,2003年),第1057-1064页。
[31] 埃里克森,D。;Lee,E。;Dong,K。;宾德尔,D。;Wilson,A.,带导数的标度高斯过程回归,高级神经网络过程。系统。,2018, 6867-6877
[32] O'Hagan,A.,《一些贝叶斯数值分析》,贝叶斯统计,4345-363(1992)
[33] 阿尔瓦雷斯,文学硕士。;罗莎科,L。;Lawrence,N.D.,向量值函数的内核:综述,发现。趋势马赫。学习。,4, 195-266 (2012) ·Zbl 1301.68212号 ·数字对象标识代码:10.1561/22000036
[34] Boozer,A.H.,《磁约束等离子体物理》,修订版。物理。,76, 1071-1141 (2005) ·doi:10.103/修订版物理版76.1071
[35] Littlejohn,R.G.,《引导中心运动的变分原理》,J.Plasma Phys。,29, 111-125 (1983) ·doi:10.1017/S00223778000060X
[36] Cary,J.R。;Brizard,A.J.,《引导中心运动的哈密顿理论》,修订版。物理。,81, 693-738 (2009) ·Zbl 1205.37068号 ·doi:10.1103/RevModPhys.81.693
[37] 怀特,R.,《环形约束等离子体理论》(2006),帝国理工大学出版社·Zbl 1213.76003号
[38] Cary,J.R。;Littlejohn,R.G.,非正则哈密顿力学及其在磁场线流中的应用,《物理学年鉴》。,151, 1-34 (1983) ·doi:10.1016/0003-4916(83)90313-5
[39] Boozer,A.H.,时间相关漂移哈密顿量,物理学。流体,272441-2445(1984)·Zbl 0546.76153号 ·doi:10.1063/1.864525
[40] 李,M。;布雷兹曼,B.N。;郑,L.,托卡马克典型直场线磁通量坐标,J.Compute。物理。,326, 334-341 (2016) ·doi:10.1016/j.jcp.2016.09.004
[41] 阿尔伯特,C。;卡西洛夫,S。;Kernbichler,W.,磁约束装置中导向中心轨道的非正则求积辛积分,J.Compute。物理。,403, 109065 (2020) ·Zbl 1453.65436号 ·doi:10.1016/j.jcp.2019.109065
[42] 艾伯特·C·G。;Rath,K.,用局部化源实现线性微分方程数据的高斯过程回归,熵,22,152(2020)·doi:10.3390/e22020152
[43] Fasshauer,G.E.,《用径向基函数配置求解偏微分方程》,载于《曲面拟合和多分辨率方法》,A.L.Méhauté、C.Rabut和L.Schumaker编辑(范德比尔特大学出版社,1997年),第2卷,第131-138页·Zbl 0938.65140号
[44] Owhadi,H.,贝叶斯数值均匀化,多尺度模型。模拟。,13, 812-828 (2015) ·Zbl 1322.35002号 ·数字对象标识代码:10.1137/140974596
[45] Park,J。;Sandberg,I.W.,使用径向基函数网络的普遍逼近,神经计算。,3, 246-257 (1991) ·doi:10.1162/neco.1991.3.2.246
[46] 米切利,C.A。;Xu,Y。;Zhang,H.,Universal kernels,J.Mach。学习。第7号决议,2651-2667(2006)·Zbl 1222.68266号
[47] Caponetto,A。;米切利,C.A。;庞蒂尔,M。;Ying,Y.,通用多任务内核,J.Mach。学习。第9号决议,1615-1646(2008)·Zbl 1225.68155号
[48] 朱,C。;伯德·R·H。;卢,P。;Nocedal,J.,《算法778:L-bfgs-b:大规模有界约束优化的Fortran子程序》,ACM Trans。数学。软质。,23, 550-560 (1997) ·Zbl 0912.65057号 ·doi:10.1145/279232.279236
[49] 北卡罗来纳州汉森。
[50] Hansen,N.、Akimoto,Y.和Baudis,P.,CMA-ES/pycma在GitHub上,Zenodo(2019)。
[51] Niederreiter,H.,《随机数生成和准蒙特卡罗方法》(1992),工业和应用数学学会:工业和应用算术学会,宾夕法尼亚州费城·Zbl 0761.65002号
[52] J·多曼德。;Prince,P.,嵌入Runge-Kutta公式家族,J.Comput。申请。数学。,6, 19-26 (1980) ·兹比尔0448.65045 ·doi:10.1016/0771-050X(80)90013-3
[53] Hénon,M。;Heiles,C.,《运动第三积分的适用性:一些数值实验》,Astron。J.,69,73-79(1964年)·doi:10.1086/109234
[54] Zotos,E.E.,《海农-海尔斯哈密顿体系逃逸动力学概述》,麦加尼卡,522615-2630(2017)·Zbl 1380.37138号 ·doi:10.1007/s11012-017-0647-8
[55] Chirikov,B.V.,多维振子系统的普遍不稳定性,物理学。众议员,52,263-379(1979)·doi:10.1016/0370-1573(79)90023-1
[56] Rechester,A.B。;White,R.B.,Chirikov-Taylor模型的湍流扩散计算,Phys。修订稿。,1586-1589年(1980年)·Zbl 1404.82059号 ·doi:10.1103/PhysRevLett.44.1586
[57] Y.H.一川。;Kamimura,T。;Hatori,T.,《标准地图中的随机扩散》,Physica D,29,247-255(1987)·doi:10.1016/0167-2789(87)90060-1
[58] Dana,我。;Fishman,S.,《标准图中的扩散》,Physica D,17,63-74(1985)·Zbl 0595.58015号 ·doi:10.1016/0167-2789(85)90134-4
[59] Venegeroles,R.,Chirikov-Taylor模型的超扩散计算,Phys。修订稿。,101, 054102 (2008) ·doi:10.1103/PhysRevLett.101.054102
[60] 扎斯拉夫斯基,G.M。;埃德尔曼,M。;Niyazov,B.A.,哈密顿混沌动力学的自相似性、重整化和相空间非均匀性,混沌,7159-181(1997)·Zbl 0933.37024号 ·doi:10.1063/116252
[61] 哈苏拉,M。;Contopoulos,G.,标准地图中的全球和局部扩散,Phys。E版,97022215(2018)·doi:10.1103/PhysRevE.97.022215
[62] 马诺斯,T。;Robnik,M.,《混沌系统中的动力学局部化:作为时间相关和时间无关系统的范例,被踢转子中的谱统计和局部化测量》,Phys。E版,87,062905(2013)·doi:10.1103/PhysRevE.87.062905
[63] Manos,T。;Robnik,M.,《加速器模式对反常扩散作用的调查:标准地图的案例》,Phys。版本E,89,022905(2014)·doi:10.1103/PhysRevE.89.022905
[64] 埃德尔,M。;艾伯特·C·G。;Bauer,L.M.P。;卡西洛夫S.V。;Kernbichler,W.,分段线性环形场中制导中心轨道的准几何积分,物理学。等离子体,27122508(2020)·数字对象标识代码:10.1063/5.0022117
[65] Rath,K。;阿尔伯特,C。;Bischl,B。;von Toussaint,U.,Zenodo(2021年)
[66] 阿尔伯特,C。;Hofmeister,R。;Rath,K.,Zenodo(2020年)
[67] Burby,J.W。;Ellison,C.L.,导引中心的环面正则化,拉格朗日,物理学。Plasmas,24117003(2017)·doi:10.1063/1.5004429
[68] Morrison,P.J.,等离子体物理的结构和结构保护算法,物理学。Plasmas,24,055502(2017)·doi:10.1063/1.4982054
[69] Berndt,R.、Klucznik,M.和Society,A.M.,《辛几何导论》,当代数学(美国数学学会,2001年)·Zbl 0986.53028号
[70] José,J.V。;Saletan,E.J.,《经典动力学:当代方法》(1998),剑桥大学出版社·Zbl 0918.70001号
[71] Seber,G.和Lee,A.,《线性回归分析》,《概率统计中的Wiley级数》(Wiley,2012)·Zbl 1029.62059号
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。