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数学 > 数值分析

arXiv:2508.03325 (math)
[提交于 2025年8月5日 ]

标题: 基于随机Koopman正交分解和可解释深度学习的非线性PDE降阶数据驱动双模型

标题: Reduced Order Data-driven Twin Models for Nonlinear PDEs by Randomized Koopman Orthogonal Decomposition and Explainable Deep Learning

Authors:D.A. Bistrian
摘要: 本研究引入了一种基于现代Koopman算子理论的数据驱动孪生建模框架,通过以较低的复杂度准确捕捉非线性动力学而无需手动参数调整,相较于经典模态分解有了显著进步。 该方法结合了一种新算法与Pareto前沿分析,构建了一个紧凑且高保真的降阶模型,平衡了准确性与效率。 一个可解释的NLARX深度学习框架实现了实时、自适应的校准与预测,而一个关键创新——通过随机正交投影计算正交Koopman模式——确保了最优的数据表示。 这种数据驱动的孪生建模方法是完全自洽的,避免了启发式选择,并通过集成可解释的学习技术增强了可解释性。 所提出的方法在冲击波现象中进行了验证,包括三个复杂度逐渐增加的实验,并对生成的数据驱动孪生模型进行了定性分析。
摘要: This study introduces a data-driven twin modeling framework based on modern Koopman operator theory, offering a significant advancement over classical modal decomposition by accurately capturing nonlinear dynamics with reduced complexity and no manual parameter adjustment. The method integrates a novel algorithm with Pareto front analysis to construct a compact, high-fidelity reduced-order model that balances accuracy and efficiency. An explainable NLARX deep learning framework enables real-time, adaptive calibration and prediction, while a key innovation-computing orthogonal Koopman modes via randomized orthogonal projections-ensures optimal data representation. This approach for data-driven twin modeling is fully self-consistent, avoiding heuristic choices and enhancing interpretability through integrated explainable learning techniques. The proposed method is demonstrated on shock wave phenomena using three experiments of increasing complexity, accompanied by a qualitative analysis of the resulting data-driven twin models.
评论: 34页,9图
主题: 数值分析 (math.NA)
MSC 类: 00A71, 46N40, 34A45
引用方式: arXiv:2508.03325 [math.NA]
  (或者 arXiv:2508.03325v1 [math.NA] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.03325
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)

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来自: Diana Alina Bistrian PhD [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2025 年 8 月 5 日 11:07:12 UTC (9,778 KB)
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