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非线性科学 > 混沌动力学

arXiv:2507.09652 (nlin)
[提交于 2025年7月13日 ]

标题: 机器精度的低维混沌系统预测

标题: Machine-Precision Prediction of Low-Dimensional Chaotic Systems

Authors:Christof Schötz, Niklas Boers
摘要: 低维混沌系统,如Lorenz-63模型,常用于评估从数据中学习动力学的系统无关方法。 在这里,我们展示了在这些系统中从无噪声观测中学习可以达到机器精度:使用高次多项式特征的普通最小二乘回归和512位算术,我们的方法超过了真实底层动力系统的标准64位数值常微分方程求解器的准确性。 根据配置的不同,我们得到Lorenz-63系统的有效预测时间为32到105个李雅普诺夫时间,显著优于之前的工作,最多只能达到13个李雅普诺夫时间。 我们在Thomas' Cyclically Symmetric Attractor上进一步验证了我们的结果,这是一个非多项式的混沌系统,比Lorenz-63模型复杂得多,并且展示了类似的成果也可以通过时空混沌的Lorenz-96模型扩展到更高维度。 我们的发现表明,从无噪声数据中学习低维混沌系统是一个已解决的问题。
摘要: Low-dimensional chaotic systems such as the Lorenz-63 model are commonly used to benchmark system-agnostic methods for learning dynamics from data. Here we show that learning from noise-free observations in such systems can be achieved up to machine precision: using ordinary least squares regression on high-degree polynomial features with 512-bit arithmetic, our method exceeds the accuracy of standard 64-bit numerical ODE solvers of the true underlying dynamical systems. Depending on the configuration, we obtain valid prediction times of 32 to 105 Lyapunov times for the Lorenz-63 system, dramatically outperforming prior work that reaches 13 Lyapunov times at most. We further validate our results on Thomas' Cyclically Symmetric Attractor, a non-polynomial chaotic system that is considerably more complex than the Lorenz-63 model, and show that similar results extend also to higher dimensions using the spatiotemporally chaotic Lorenz-96 model. Our findings suggest that learning low-dimensional chaotic systems from noise-free data is a solved problem.
主题: 混沌动力学 (nlin.CD) ; 机器学习 (cs.LG); 动力系统 (math.DS)
引用方式: arXiv:2507.09652 [nlin.CD]
  (或者 arXiv:2507.09652v1 [nlin.CD] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.09652
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)

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来自: Christof Schötz [查看电子邮件]
[v1] 星期日, 2025 年 7 月 13 日 14:36:47 UTC (6,331 KB)
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