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数学 > 动力系统

arXiv:2508.09529 (math)
[提交于 2025年8月13日 ]

标题: DeepWKB:学习随机系统的不变分布的WKB展开式

标题: DeepWKB: Learning WKB Expansions of Invariant Distributions for Stochastic Systems

Authors:Yao Li, Yicheng Liu, Shirou Wang
摘要: 本文介绍了一种新颖的深度学习方法,称为DeepWKB,用于通过其Wentzel-Kramers-Brillouin(WKB)近似$u_\epsilon(x) = Q(\epsilon)^{-1} Z_\epsilon(x) \exp\{-V(x)/\epsilon\}$来估计随机扰动系统的不变分布,其中$V$称为拟势,$\epsilon$表示噪声强度,$Q(\epsilon)$是归一化因子。 通过同时利用蒙特卡洛数据以及$V$和$Z_\epsilon$所满足的偏微分方程,DeepWKB方法分别计算$V$和$Z_\epsilon$。 这使得在$\epsilon$足够小的奇异情形下能够对不变分布进行近似,而这对于大多数现有方法仍然是一个重大挑战。 此外,DeepWKB方法适用于其确定性对应物具有非平凡吸引子的高维随机系统。 特别是,它为计算准势提供了一个可扩展且灵活的替代方法,准势在罕见事件、亚稳态以及复杂系统的随机稳定性分析中起着关键作用。
摘要: This paper introduces a novel deep learning method, called DeepWKB, for estimating the invariant distribution of randomly perturbed systems via its Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB) approximation $u_\epsilon(x) = Q(\epsilon)^{-1} Z_\epsilon(x) \exp\{-V(x)/\epsilon\}$, where $V$ is known as the quasi-potential, $\epsilon$ denotes the noise strength, and $Q(\epsilon)$ is the normalization factor. By utilizing both Monte Carlo data and the partial differential equations satisfied by $V$ and $Z_\epsilon$, the DeepWKB method computes $V$ and $Z_\epsilon$ separately. This enables an approximation of the invariant distribution in the singular regime where $\epsilon$ is sufficiently small, which remains a significant challenge for most existing methods. Moreover, the DeepWKB method is applicable to higher-dimensional stochastic systems whose deterministic counterparts admit non-trivial attractors. In particular, it provides a scalable and flexible alternative for computing the quasi-potential, which plays a key role in the analysis of rare events, metastability, and the stochastic stability of complex systems.
评论: 29页,7图
主题: 动力系统 (math.DS) ; 机器学习 (cs.LG)
MSC 类: 60F10, 60J25, 37M25
引用方式: arXiv:2508.09529 [math.DS]
  (或者 arXiv:2508.09529v1 [math.DS] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.09529
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Shirou Wang [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2025 年 8 月 13 日 06:23:06 UTC (3,022 KB)
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