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定量生物学 > 定量方法

arXiv:2501.01283v2 (q-bio)
[提交于 2025年1月2日 (v1) ,修订后的 2025年1月12日 (此版本, v2) , 最新版本 2025年6月16日 (v4) ]

标题: 用于从生物学中产生的数学模型的实用可辨识性分析的系统计算方法

标题: A Systematic Computational Method for Practical Identifiability Analysis in Mathematical Models Arising from Biology

Authors:Shun Wang, Wenrui Hao
摘要: 在数学系统的数据驱动建模中,实际可辨识性是一个关键问题。 在本文中,我们提出了一种新的实际可辨识性分析框架,用于评估生物系统数学模型中的参数可辨识性。 从实际可辨识性的严格数学定义出发,我们证明了其与费舍尔信息矩阵可逆性的等价性。 我们的框架建立了实际可辨识性与坐标可辨识性之间的关系,引入了一种新的度量方法,与轮廓似然方法相比,简化并加速了参数可辨识性的评估。 此外,我们引入了新的正则化项来处理不可辨识的参数,从而实现不确定性量化并提高模型可靠性。 为了指导实验设计,我们提出了一种最优数据收集算法,确保所有模型参数都是实际可辨识的。 对Hill函数、神经网络和动态生物模型的应用表明,所提出的计算框架在揭示关键生物过程和识别关键可观测变量方面具有可行性和效率。
摘要: Practical identifiability is a critical concern in data-driven modeling of mathematical systems. In this paper, we propose a novel framework for practical identifiability analysis to evaluate parameter identifiability in mathematical models of biological systems. Starting with a rigorous mathematical definition of practical identifiability, we demonstrate its equivalence to the invertibility of the Fisher Information Matrix. Our framework establishes the relationship between practical identifiability and coordinate identifiability, introducing a novel metric that simplifies and accelerates the evaluation of parameter identifiability compared to the profile likelihood method. Additionally, we introduce new regularization terms to address non-identifiable parameters, enabling uncertainty quantification and improving model reliability. To guide experimental design, we present an optimal data collection algorithm that ensures all model parameters are practically identifiable. Applications to Hill functions, neural networks, and dynamic biological models demonstrate the feasibility and efficiency of the proposed computational framework in uncovering critical biological processes and identifying key observable variables.
评论: 36页,9图
主题: 定量方法 (q-bio.QM)
引用方式: arXiv:2501.01283 [q-bio.QM]
  (或者 arXiv:2501.01283v2 [q-bio.QM] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.01283
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

提交历史

来自: Shun Wang [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2025 年 1 月 2 日 14:46:06 UTC (2,668 KB)
[v2] 星期日, 2025 年 1 月 12 日 01:55:57 UTC (2,666 KB)
[v3] 星期一, 2025 年 1 月 20 日 00:52:57 UTC (2,603 KB)
[v4] 星期一, 2025 年 6 月 16 日 01:56:16 UTC (7,071 KB)
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