从数据稳定动力学系统的数据中学习控制器通常遵循首先识别模型然后基于确定模型构建控制器的两步过程。但是，学习模型意味着确定系统动力学的通用描述，这些描述可能需要大量数据并提取对稳定的特定任务不必要的信息。这项工作的贡献是表明，如果线性动力学系统具有尺寸（McMillan学位）$ n $，那么总是存在$ n $状态，可以从中构建稳定反馈控制器，而与表示的尺寸无关观察到的状态和输入的数量。通过基于先前的工作，这一发现意味着，与学习动力学模型所需的最少状态相比，观察到的状态较少的任何线性动力系统都可以稳定。通过数值实验证明了理论发现，这些实验表明了圆柱体后面的流动稳定，从学习模型的数据少于数据。

这项工作引入了一种数据驱动的控制方法，用于从稀缺数据中稳定高维动力系统。提出的上下文感知控制器推断方法基于这样的观察，即控制器只需要在不稳定的动态上进行本地行动才能稳定系统。这意味着仅仅学习不稳定的动力学就足够了，通常将其限制在所有系统动力学的高维状态空间中，尺寸要少得多，因此很少有数据示例足以识别它们。数值实验表明，与传统的数据驱动的控制技术和增强学习的变体相比，从数量级的数据样本中学习了上下文感知的控制器的推理，从数量级的稳定控制器学习。该实验进一步表明，上下文感知的控制器推断的数据需求较低，在复杂物理学的数据筛分工程问题中尤其有益，在该数据和培训成本方面，学习完整的系统动态通常是棘手的。

Data-driven modeling has become a key building block in computational science and engineering. However, data that are available in science and engineering are typically scarce, often polluted with noise and affected by measurement errors and other perturbations, which makes learning the dynamics of systems challenging. In this work, we propose to combine data-driven modeling via operator inference with the dynamic training via roll outs of neural ordinary differential equations. Operator inference with roll outs inherits interpretability, scalability, and structure preservation of traditional operator inference while leveraging the dynamic training via roll outs over multiple time steps to increase stability and robustness for learning from low-quality and noisy data. Numerical experiments with data describing shallow water waves and surface quasi-geostrophic dynamics demonstrate that operator inference with roll outs provides predictive models from training trajectories even if data are sampled sparsely in time and polluted with noise of up to 10%.

Koopman运算符是无限维的运算符，可全球线性化非线性动态系统，使其光谱信息可用于理解动态。然而，Koopman运算符可以具有连续的光谱和无限维度的子空间，使得它们的光谱信息提供相当大的挑战。本文介绍了具有严格融合的数据驱动算法，用于从轨迹数据计算Koopman运算符的频谱信息。我们引入了残余动态模式分解（ResDMD），它提供了第一种用于计算普通Koopman运算符的Spectra和PseudtoStra的第一种方案，无需光谱污染。使用解析器操作员和RESDMD，我们还计算与测量保存动态系统相关的光谱度量的平滑近似。我们证明了我们的算法的显式收敛定理，即使计算连续频谱和离散频谱的密度，也可以实现高阶收敛即使是混沌系统。我们展示了在帐篷地图，高斯迭代地图，非线性摆，双摆，洛伦茨系统和11美元延长洛伦兹系统的算法。最后，我们为具有高维状态空间的动态系统提供了我们的算法的核化变体。这使我们能够计算与具有20,046维状态空间的蛋白质分子的动态相关的光谱度量，并计算出湍流流过空气的误差界限的非线性Koopman模式，其具有雷诺数为$> 10 ^ 5 $。一个295,122维的状态空间。

Low-rank matrix approximations, such as the truncated singular value decomposition and the rank-revealing QR decomposition, play a central role in data analysis and scientific computing. This work surveys and extends recent research which demonstrates that randomization offers a powerful tool for performing low-rank matrix approximation. These techniques exploit modern computational architectures more fully than classical methods and open the possibility of dealing with truly massive data sets.This paper presents a modular framework for constructing randomized algorithms that compute partial matrix decompositions. These methods use random sampling to identify a subspace that captures most of the action of a matrix. The input matrix is then compressed-either explicitly or implicitly-to this subspace, and the reduced matrix is manipulated deterministically to obtain the desired low-rank factorization. In many cases, this approach beats its classical competitors in terms of accuracy, speed, and robustness. These claims are supported by extensive numerical experiments and a detailed error analysis.The specific benefits of randomized techniques depend on the computational environment. Consider the model problem of finding the k dominant components of the singular value decomposition of an m × n matrix. (i) For a dense input matrix, randomized algorithms require O(mn log(k)) floating-point operations (flops) in contrast with O(mnk) for classical algorithms. (ii) For a sparse input matrix, the flop count matches classical Krylov subspace methods, but the randomized approach is more robust and can easily be reorganized to exploit multi-processor architectures. (iii) For a matrix that is too large to fit in fast memory, the randomized techniques require only a constant number of passes over the data, as opposed to O(k) passes for classical algorithms. In fact, it is sometimes possible to perform matrix approximation with a single pass over the data.

数据驱动的降级模型通常无法对沿坐标敏感的高维非线性系统进行准确的预测，因为这种坐标通常经常被截断，例如，通过正确的正交分解，核心成分分析和自动范围。这种系统在剪切主导的流体流中经常遇到，在剪切主导的流体流中，非正常性在障碍的生长中起着重要作用。为了解决这些问题，我们采用来自活跃子空间的想法来查找模型减少的坐标的低维系统，以平衡伴随的信息，以了解该系统的敏感性与沿轨迹的状态方差的敏感性。所得的方法是使用伴随快照（Cobras）称为协方差平衡降低，与平衡截断与状态和基于伴随的梯度协方差矩阵取代了系统gramians并遵守相同的关键转换定律。在这里，提取的坐标与可用于构建彼得罗夫 - 盖尔金还原模型的倾斜投影相关。我们提供了一种有效的基于快照的计算方法，类似于平衡的正交分解。这也导致观察到，可以单独依靠状态和梯度样品的内部产品来计算还原的坐标，从而使我们能够通过用核函数替换内部产品来找到丰富的非线性坐标。在这些坐标中，可以使用回归来学习减少的模型。我们演示了这些技术，并与简单但具有挑战性的三维系统和轴对称喷气流仿真进行比较，并具有$ 10^5 $状态变量。

我们开发一种方法来构造来自表示基本上非线性（或不可连锁的）动态系统的数据集构成低维预测模型，其中具有由有限许多频率的外部强制进行外部矫正的双曲线线性部分。我们的数据驱动，稀疏，非线性模型获得为低维，吸引动力系统的光谱子纤维（SSM）的降低的动态的延长正常形式。我们说明了数据驱动的SSM降低了高维数值数据集的功率和涉及梁振荡，涡旋脱落和水箱中的晃动的实验测量。我们发现，在未加工的数据上培训的SSM减少也在额外的外部强制下准确预测非线性响应。

基于近似基础的Koopman操作员或发电机的数据驱动的非线性动力系统模型已被证明是预测，功能学习，状态估计和控制的成功工具。众所周知，用于控制膜系统的Koopman发电机还对输入具有仿射依赖性，从而导致动力学的方便有限维双线性近似。然而，仍然存在两个主要障碍，限制了当前方法的范围，以逼近系统的koopman发电机。首先，现有方法的性能在很大程度上取决于要近似Koopman Generator的基础函数的选择；目前，目前尚无通用方法来为无法衡量保存的系统选择它们。其次，如果我们不观察到完整的状态，我们可能无法访问足够丰富的此类功能来描述动态。这是因为在有驱动时，通常使用时间延迟的可观察物的方法失败。为了解决这些问题，我们将Koopman Generator控制的可观察到的动力学写为双线性隐藏Markov模型，并使用预期最大化（EM）算法确定模型参数。 E-Step涉及标准的Kalman滤波器和更光滑，而M-Step类似于发电机的控制效果模式分解。我们在三个示例上证明了该方法的性能，包括恢复有限的Koopman-Invariant子空间，用于具有缓慢歧管的驱动系统；估计非强制性行驶方程的Koopman本征函数；仅基于提升和阻力的嘈杂观察，对流体弹球系统的模型预测控制。

这项教程调查概述了统计学习理论中最新的非征血性进步与控制和系统识别相关。尽管在所有控制领域都取得了重大进展，但在线性系统的识别和学习线性二次调节器时，该理论是最发达的，这是本手稿的重点。从理论的角度来看，这些进步的大部分劳动都在适应现代高维统计和学习理论的工具。虽然与控制对机器学习的工具感兴趣的理论家高度相关，但基础材料并不总是容易访问。为了解决这个问题，我们提供了相关材料的独立介绍，概述了基于最新结果的所有关键思想和技术机械。我们还提出了许多开放问题和未来的方向。

数据科学和机器学习的进展已在非线性动力学系统的建模和模拟方面取得了重大改进。如今，可以准确预测复杂系统，例如天气，疾病模型或股市。预测方法通常被宣传为对控制有用，但是由于系统的复杂性，较大的数据集的需求以及增加的建模工作，这些细节经常没有得到解答。换句话说，自治系统的替代建模比控制系统要容易得多。在本文中，我们介绍了Quasimodo框架（量化模拟模拟模拟 - 优化），以将任意预测模型转换为控制系统，从而使数据驱动的替代模型的巨大进步可访问控制系统。我们的主要贡献是，我们通过自动化动力学（产生混合企业控制问题）来贸易控制效率，以获取任意，即使用的自主替代建模技术。然后，我们通过利用混合成员优化的最新结果来恢复原始问题的复杂性。 Quasimodo的优点是数据要求在控制维度方面的线性增加，性能保证仅依赖于使用的预测模型的准确性，而控制理论中的知识知识要求很少来解决复杂的控制问题。

We consider the nonlinear inverse problem of learning a transition operator $\mathbf{A}$ from partial observations at different times, in particular from sparse observations of entries of its powers $\mathbf{A},\mathbf{A}^2,\cdots,\mathbf{A}^{T}$. This Spatio-Temporal Transition Operator Recovery problem is motivated by the recent interest in learning time-varying graph signals that are driven by graph operators depending on the underlying graph topology. We address the nonlinearity of the problem by embedding it into a higher-dimensional space of suitable block-Hankel matrices, where it becomes a low-rank matrix completion problem, even if $\mathbf{A}$ is of full rank. For both a uniform and an adaptive random space-time sampling model, we quantify the recoverability of the transition operator via suitable measures of incoherence of these block-Hankel embedding matrices. For graph transition operators these measures of incoherence depend on the interplay between the dynamics and the graph topology. We develop a suitable non-convex iterative reweighted least squares (IRLS) algorithm, establish its quadratic local convergence, and show that, in optimal scenarios, no more than $\mathcal{O}(rn \log(nT))$ space-time samples are sufficient to ensure accurate recovery of a rank-$r$ operator $\mathbf{A}$ of size $n \times n$. This establishes that spatial samples can be substituted by a comparable number of space-time samples. We provide an efficient implementation of the proposed IRLS algorithm with space complexity of order $O(r n T)$ and per-iteration time complexity linear in $n$. Numerical experiments for transition operators based on several graph models confirm that the theoretical findings accurately track empirical phase transitions, and illustrate the applicability and scalability of the proposed algorithm.

用于未知非线性系统的学习和合成稳定控制器是现实世界和工业应用的具有挑战性问题。 Koopman操作员理论允许通过直线系统和非线性控制系统的镜头通过线性系统和非线性控制系统的镜头来分析非线性系统。这些方法的关键思想，在于将非线性系统的坐标转换为Koopman可观察，这是允许原始系统（控制系统）作为更高尺寸线性（双线性控制）系统的坐标。然而，对于非线性控制系统，通过应用基于Koopman操作员的学习方法获得的双线性控制模型不一定是稳定的，因此，不保证稳定反馈控制的存在，这对于许多真实世界的应用来说是至关重要的。同时识别基于这些可稳定的Koopman的双线性控制系统以及相关的Koopman可观察到仍然是一个开放的问题。在本文中，我们提出了一个框架，以通过同时学习为基于Koopman的底层未知的非线性控制系统以及基于Koopman的控制Lyapunov函数（CLF）来识别和构造这些可稳定的双线性模型及其相关的可观察能力。双线性模型使用学习者和伪空。我们提出的方法从而为非线性控制系统具有未知动态的非线性控制系统提供了可证明的全球渐近稳定性的保证。提供了数值模拟，以验证我们提出的稳定反馈控制器为未知的非线性系统的效力。

Koopman运算符全球线性化非线性动力学系统及其光谱信息是分析和分解非线性动力学系统的强大工具。但是，Koopman运营商是无限维度的，计算其光谱信息是一个巨大的挑战。我们介绍了Measure-tearving扩展动态模式分解（$ \ texttt {mpedmd} $），这是第一种截断方法，其特征性组件收敛到koopman运算符的光谱，以用于一般测量的动态系统。 $ \ texttt {mpedmd} $是基于正交式procrustes问题的数据驱动算法，该问题使用可观察的一般字典来强制测量Koopman运算符的截断。它具有灵活性且易于使用的任何预先存在的DMD类型方法，并且具有不同类型的数据。我们证明了$ \ texttt {mpedmd} $的融合，用于投影值和标量值光谱测量，光谱和koopman模式分解。对于延迟嵌入（Krylov子空间）的情况，我们的结果包括随着字典的大小增加，光谱测量近似值的第一个收敛速率。我们在一系列具有挑战性的示例中演示了$ \ texttt {mpedmd} $，与其他DMD型方法相比，其对噪声的稳健性提高，以及其捕获湍流边界层实验测量的能源保存和级联反应的能力，并以Reynolds的方式流动。数字$> 6 \ times 10^4 $和状态空间尺寸$> 10^5 $。

我们提出了一种从数据模拟动态系统的数值方法。我们使用最近引入的方法可扩展的概率近似（SPA）从欧几里德空间到凸多台的项目点，并表示在新的低维坐标中的系统的预计状态，表示其在多晶硅中的位置。然后，我们介绍特定的非线性变换，以构建多特渗透中动力学的模型，并转换回原始状态空间。为了克服投影到低维层的潜在信息损失，我们在局部延迟嵌入定理的意义上使用记忆。通过施工，我们的方法产生稳定的模型。我们说明了在各种示例上具有多个连接组件的甚至复制混沌动力学和吸引子的方法的能力。

由于其固有的非线性和高度的自由度，对连续体软机器人的建模和控制仍然是一项艰巨的任务。这些复杂性阻碍了适合实时控制的高保真模型的构建。尽管已经提出了各种模型和基于学习的方法来应对这些挑战，但它们缺乏普遍性，很少保留动态的结构。在这项工作中，我们提出了一种新的，数据驱动的方法，用于从数据中提取面向控制的模型。我们克服了上面概述的问题，并证明了我们对光谱次级减少（SSMR）的卓越性能 - \'a-vis the Art的状态。

我们提供了一个方程/可变的免费机器学习（EVFML）框架，以控制通过基于微观/代理模拟器建模的复杂/多尺度系统的集体动力学。该方法避免了构建替代物，还原级模型的需求。〜所提出的实现包括三个步骤：（a）来自基于高维代理的模拟，机器学习（尤其是非线性歧管学习（扩散图）（扩散地图） （DMS））有助于确定一组粗粒变量，该变量参数化了出现/集体动力学的低维歧管。从高维输入空间到低维歧管和背部，通过将DMS与NyStrom扩展和几何谐波耦合来求解；（b）已确定了歧管及其坐标，我们将方程式的方法利用了方程的方法对出现动力学执行数值分叉分析；然后，基于先前的步骤（C），我们设计了数据驱动的嵌入式洗涤控制器，该控制器将基于代理的模拟器驱动其内在的IM精确知道的，新兴的开环不稳定稳态，因此表明该方案对数值近似误差和建模不确定性是可靠的。交通动态模型和（ii）与哑剧的随机金融市场代理模型的平衡。

收缩理论是一种分析工具，用于研究以均匀的正面矩阵定义的收缩度量下的非自主（即，时变）非线性系统的差动动力学，其存在导致增量指数的必要和充分表征多种溶液轨迹彼此相互稳定性的稳定性。通过使用平方差分长度作为Lyapunov样功能，其非线性稳定性分析向下沸腾以找到满足以表达为线性矩阵不等式的稳定条件的合适的收缩度量，表明可以在众所周知的线性系统之间绘制许多平行线非线性系统理论与收缩理论。此外，收缩理论利用了与比较引理结合使用的指数稳定性的优越稳健性。这产生了基于神经网络的控制和估计方案的急需安全性和稳定性保证，而不借助使用均匀渐近稳定性的更涉及的输入到状态稳定性方法。这种独特的特征允许通过凸优化来系统构造收缩度量，从而获得了由于扰动和学习误差而在外部扰动的时变的目标轨迹和解决方案轨迹之间的距离上的明确指数界限。因此，本文的目的是介绍了收缩理论的课程概述及其在确定性和随机系统的非线性稳定性分析中的优点，重点导出了各种基于学习和数据驱动的自动控制方法的正式鲁棒性和稳定性保证。特别是，我们提供了使用深神经网络寻找收缩指标和相关控制和估计法的技术的详细审查。

最近在J. Math中引入的分配流程。成像和视觉58/2（2017）构成了一种高维动态系统，其在基本统计歧管上发展，并执行任何度量空间中给出的数据的上下文标记（分类）。给定图形的顶点索引数据点并定义邻域的系统。这些邻域与非负重量参数一起定义标签分配的演变的正则化，通过由信息几何的仿射电子连接引起的几何平均来定义对数据点的数量。关于进化游戏动态，分配流程可以被称为由几何平均耦合的复制器方程的大型系统。本文在重量参数上建立了保证连续时间分配流程的重量参数（标签）的融合，最多可忽略不计在实际数据的实际数据时不会遇到的情况。此外，我们对流动的吸引子分类并量化相应的吸引力盆地。这为分配流提供了会聚保证，该分配流程扩展到不同时间分配流程，这些流量是应用跑步-Kutta-munthe-KAAS方案的用于分配流的数值几何集成。若干反作用例说明违反条件可能需要关于上下文数据分类的分配流的不利行为。

我们提出了一种从有限的训练数据学习高维参数映射的解析替代框架。在许多需要重复查询复杂计算模型的许多应用中出现了对参数代理的需求。这些应用包括贝叶斯逆问题，最佳实验设计和不确定度的最佳设计和控制等“外环”问题，以及实时推理和控制问题。许多高维参数映射承认低维结构，这可以通过映射信息的输入和输出的绘图信息的减少基础来利用。利用此属性，我们通过自适应地构造其输入和输出的缩小基础之间的Reset近似来制定用于学习这些地图的低维度近似的框架。最近的近似近似理论作为控制流的离散化，我们证明了我们所提出的自适应投影Reset框架的普遍近似性，这激励了Resnet构造的相关迭代算法。该策略代表了近似理论和算法的汇合，因为两者都使用顺序最小化流量。在数值例子中，我们表明，在训练数据少量的培训数据中，能够实现显着高精度，使其能够实现培训数据生成的最小计算投资的理想代理策略。

在许多学科中，动态系统的数据信息预测模型的开发引起了广泛的兴趣。我们提出了一个统一的框架，用于混合机械和机器学习方法，以从嘈杂和部分观察到的数据中识别动态系统。我们将纯数据驱动的学习与混合模型进行比较，这些学习结合了不完善的域知识。我们的公式与所选的机器学习模型不可知，在连续和离散的时间设置中都呈现，并且与表现出很大的内存和错误的模型误差兼容。首先，我们从学习理论的角度研究无内存线性（W.R.T.参数依赖性）模型误差，从而定义了过多的风险和概括误差。对于沿阵行的连续时间系统，我们证明，多余的风险和泛化误差都通过与T的正方形介于T的术语（指定训练数据的时间间隔）的术语界定。其次，我们研究了通过记忆建模而受益的方案，证明了两类连续时间复发性神经网络（RNN）的通用近似定理：两者都可以学习与内存有关的模型误差。此外，我们将一类RNN连接到储层计算，从而将学习依赖性错误的学习与使用随机特征在Banach空间之间进行监督学习的最新工作联系起来。给出了数值结果（Lorenz '63，Lorenz '96多尺度系统），以比较纯粹的数据驱动和混合方法，发现混合方法较少，渴望数据较少，并且更有效。最后，我们从数值上证明了如何利用数据同化来从嘈杂，部分观察到的数据中学习隐藏的动态，并说明了通过这种方法和培训此类模型来表示记忆的挑战。