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。

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 $。

神经网络的经典发展主要集中在有限维欧基德空间或有限组之间的学习映射。我们提出了神经网络的概括，以学习映射无限尺寸函数空间之间的运算符。我们通过一类线性积分运算符和非线性激活函数的组成制定运营商的近似，使得组合的操作员可以近似复杂的非线性运算符。我们证明了我们建筑的普遍近似定理。此外，我们介绍了四类运算符参数化：基于图形的运算符，低秩运算符，基于多极图形的运算符和傅里叶运算符，并描述了每个用于用每个计算的高效算法。所提出的神经运营商是决议不变的：它们在底层函数空间的不同离散化之间共享相同的网络参数，并且可以用于零击超分辨率。在数值上，与现有的基于机器学习的方法，达西流程和Navier-Stokes方程相比，所提出的模型显示出卓越的性能，而与传统的PDE求解器相比，与现有的基于机器学习的方法有关的基于机器学习的方法。

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.

提出了用于基于合奏的估计和模拟高维动力系统（例如海洋或大气流）的方法学框架。为此，动态系统嵌入了一个由动力学驱动的内核功能的繁殖核Hilbert空间的家族中。这个家庭因其吸引人的财产而被昵称为仙境。在梦游仙境中，Koopman和Perron-Frobenius操作员是统一且均匀的。该属性保证它们可以在一系列可对角线的无限发电机中表达。访问Lyapunov指数和切线线性动力学的精确集合表达式也可以直接可用。仙境使我们能够根据轨迹样本的恒定时间线性组合来设计出惊人的简单集合数据同化方法。通过几个基本定理的完全合理的叠加原则，使这种令人尴尬的简单策略成为可能。

我们为特殊神经网络架构，称为运营商复发性神经网络的理论分析，用于近似非线性函数，其输入是线性运算符。这些功能通常在解决方案算法中出现用于逆边值问题的问题。传统的神经网络将输入数据视为向量，因此它们没有有效地捕获与对应于这种逆问题中的数据的线性运算符相关联的乘法结构。因此，我们介绍一个类似标准的神经网络架构的新系列，但是输入数据在向量上乘法作用。由较小的算子出现在边界控制中的紧凑型操作员和波动方程的反边值问题分析，我们在网络中的选择权重矩阵中促进结构和稀疏性。在描述此架构后，我们研究其表示属性以及其近似属性。我们还表明，可以引入明确的正则化，其可以从所述逆问题的数学分析导出，并导致概括属性上的某些保证。我们观察到重量矩阵的稀疏性改善了概括估计。最后，我们讨论如何将运营商复发网络视为深度学习模拟，以确定诸如用于从边界测量的声波方程中重建所未知的WAVESTED的边界控制的算法算法。

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。

Experimental sciences have come to depend heavily on our ability to organize, interpret and analyze high-dimensional datasets produced from observations of a large number of variables governed by natural processes. Natural laws, conservation principles, and dynamical structure introduce intricate inter-dependencies among these observed variables, which in turn yield geometric structure, with fewer degrees of freedom, on the dataset. We show how fine-scale features of this structure in data can be extracted from \emph{discrete} approximations to quantum mechanical processes given by data-driven graph Laplacians and localized wavepackets. This data-driven quantization procedure leads to a novel, yet natural uncertainty principle for data analysis induced by limited data. We illustrate the new approach with algorithms and several applications to real-world data, including the learning of patterns and anomalies in social distancing and mobility behavior during the COVID-19 pandemic.

非线性自适应控制理论中的一个关键假设是系统的不确定性可以在一组已知基本函数的线性跨度中表示。虽然该假设导致有效的算法，但它将应用限制为非常特定的系统类别。我们介绍一种新的非参数自适应算法，其在参数上学习无限尺寸密度，以取消再现内核希尔伯特空间中的未知干扰。令人惊讶的是，所产生的控制输入承认，尽管其底层无限尺寸结构，但是尽管它的潜在无限尺寸结构实现了其实施的分析表达。虽然这种自适应输入具有丰富和富有敏感性的 - 例如，传统的线性参数化 - 其计算复杂性随时间线性增长，使其比其参数对应力相对较高。利用随机傅里叶特征的理论，我们提供了一种有效的随机实现，该实现恢复了经典参数方法的复杂性，同时可透明地保留非参数输入的表征性。特别地，我们的显式范围仅取决于系统的基础参数，允许我们所提出的算法有效地缩放到高维系统。作为该方法的说明，我们展示了随机近似算法学习由牛顿重力交互的十点批量组成的60维系统的预测模型的能力。

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。

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.

本文涉及使用多项式的有限样品的平滑，高维函数的近似。这项任务是计算科学和工程中许多应用的核心 - 尤其是由参数建模和不确定性量化引起的。通常在此类应用中使用蒙特卡洛（MC）采样，以免屈服于维度的诅咒。但是，众所周知，这种策略在理论上是最佳的。尺寸$ n $有许多多项式空间，样品复杂度尺度划分为$ n $。这种有据可查的现象导致了一致的努力，以设计改进的，实际上是近乎最佳的策略，其样本复杂性是线性的，甚至线性地缩小了$ n $。自相矛盾的是，在这项工作中，我们表明MC实际上是高维度中的一个非常好的策略。我们首先通过几个数值示例记录了这种现象。接下来，我们提出一个理论分析，该分析能够解决这种悖论，以实现无限多变量的全体形态功能。我们表明，基于$ M $ MC样本的最小二乘方案，其错误衰减为$ m/\ log（m）$，其速率与最佳$ n $ term的速率相同多项式近似。该结果是非构造性的，因为它假定了进行近似的合适多项式空间的知识。接下来，我们提出了一个基于压缩感应的方案，该方案达到了相同的速率，除了较大的聚类因子。该方案是实用的，并且在数值上，它的性能和比知名的自适应最小二乘方案的性能和更好。总体而言，我们的发现表明，当尺寸足够高时，MC采样非常适合平滑功能近似。因此，改进的采样策略的好处通常仅限于较低维度的设置。

在随机抽样方法中，马尔可夫链蒙特卡洛算法是最重要的。在随机行走都市方案中，我们利用分析方法和数值方法的结合研究了它们的收敛性能。我们表明，偏离目标稳态分布的偏差特征是定位过渡的函数，这是定义随机步行的尝试跳跃的特征长度。该过渡大大改变了误差，而误差是通过不完整的收敛引入的，并区分了两个方案，其中弛豫机制分别受扩散和排斥分别受到限制。

We study a class of dynamical systems modelled as Markov chains that admit an invariant distribution via the corresponding transfer, or Koopman, operator. While data-driven algorithms to reconstruct such operators are well known, their relationship with statistical learning is largely unexplored. We formalize a framework to learn the Koopman operator from finite data trajectories of the dynamical system. We consider the restriction of this operator to a reproducing kernel Hilbert space and introduce a notion of risk, from which different estimators naturally arise. We link the risk with the estimation of the spectral decomposition of the Koopman operator. These observations motivate a reduced-rank operator regression (RRR) estimator. We derive learning bounds for the proposed estimator, holding both in i.i.d. and non i.i.d. settings, the latter in terms of mixing coefficients. Our results suggest RRR might be beneficial over other widely used estimators as confirmed in numerical experiments both for forecasting and mode decomposition.

本文研究了无限二维希尔伯特空间之间线性算子的学习。训练数据包括希尔伯特空间中的一对随机输入向量以及在未知的自我接合线性运算符下的嘈杂图像。假设操作员在已知的基础上是对角线化的，则该工作解决了给定数据估算操作员特征值的等效反问题。采用贝叶斯方法，理论分析在无限的数据限制中建立了后部收缩率，而高斯先验者与反向问题的正向图没有直接相关。主要结果还包括学习理论的概括错误保证了广泛的分配变化。这些收敛速率分别量化了数据平滑度和真实特征值衰减或生长的影响，分别是紧凑或无界操作员对样品复杂性的影响。数值证据支持对角线和非对角性环境中的理论。

我们研究了趋势过滤的多元版本，称为Kronecker趋势过滤或KTF，因为设计点以$ D $维度形成格子。 KTF是单变量趋势过滤的自然延伸（Steidl等，2006; Kim等人，2009; Tibshirani，2014），并通过最大限度地减少惩罚最小二乘问题，其罚款术语总和绝对（高阶）沿每个坐标方向估计参数的差异。相应的惩罚运算符可以编写单次趋势过滤惩罚运营商的Kronecker产品，因此名称Kronecker趋势过滤。等效，可以在$ \ ell_1 $ -penalized基础回归问题上查看KTF，其中基本功能是下降阶段函数的张量产品，是一个分段多项式（离散样条）基础，基于单变量趋势过滤。本文是Sadhanala等人的统一和延伸结果。 （2016,2017）。我们开发了一套完整的理论结果，描述了$ k \ grone 0 $和$ d \ geq 1 $的$ k ^ {\ mathrm {th}} $ over kronecker趋势过滤的行为。这揭示了许多有趣的现象，包括KTF在估计异构平滑的功能时KTF的优势，并且在$ d = 2（k + 1）$的相位过渡，一个边界过去（在高维对 - 光滑侧）线性泡沫不能完全保持一致。我们还利用Tibshirani（2020）的离散花键来利用最近的结果，特别是离散的花键插值结果，使我们能够将KTF估计扩展到恒定时间内的任何偏离晶格位置（与晶格数量的大小无关）。

本论文主要涉及解决深层（时间）高斯过程（DGP）回归问题的状态空间方法。更具体地，我们代表DGP作为分层组合的随机微分方程（SDES），并且我们通过使用状态空间过滤和平滑方法来解决DGP回归问题。由此产生的状态空间DGP（SS-DGP）模型生成丰富的电视等级，与建模许多不规则信号/功能兼容。此外，由于他们的马尔可道结构，通过使用贝叶斯滤波和平滑方法可以有效地解决SS-DGPS回归问题。本论文的第二次贡献是我们通过使用泰勒力矩膨胀（TME）方法来解决连续离散高斯滤波和平滑问题。这诱导了一类滤波器和SmooThers，其可以渐近地精确地预测随机微分方程（SDES）解决方案的平均值和协方差。此外，TME方法和TME过滤器和SmoOthers兼容模拟SS-DGP并解决其回归问题。最后，本文具有多种状态 - 空间（深）GPS的应用。这些应用主要包括（i）来自部分观察到的轨迹的SDES的未知漂移功能和信号的光谱 - 时间特征估计。

量子哈密顿学习和量子吉布斯采样的双重任务与物理和化学中的许多重要问题有关。在低温方案中，这些任务的算法通常会遭受施状能力，例如因样本或时间复杂性差而遭受。为了解决此类韧性，我们将量子自然梯度下降的概括引入了参数化的混合状态，并提供了稳健的一阶近似算法，即量子 - 固定镜下降。我们使用信息几何学和量子计量学的工具证明了双重任务的数据样本效率，因此首次将经典Fisher效率的开创性结果推广到变异量子算法。我们的方法扩展了以前样品有效的技术，以允许模型选择的灵活性，包括基于量子汉密尔顿的量子模型，包括基于量子的模型，这些模型可能会规避棘手的时间复杂性。我们的一阶算法是使用经典镜下降二元性的新型量子概括得出的。两种结果都需要特殊的度量选择，即Bogoliubov-Kubo-Mori度量。为了从数值上测试我们提出的算法，我们将它们的性能与现有基准进行了关于横向场ISING模型的量子Gibbs采样任务的现有基准。最后，我们提出了一种初始化策略，利用几何局部性来建模状态的序列（例如量子 - 故事过程）的序列。我们从经验上证明了它在实际和想象的时间演化的经验上，同时定义了更广泛的潜在应用。

We consider autocovariance operators of a stationary stochastic process on a Polish space that is embedded into a reproducing kernel Hilbert space. We investigate how empirical estimates of these operators converge along realizations of the process under various conditions. In particular, we examine ergodic and strongly mixing processes and obtain several asymptotic results as well as finite sample error bounds. We provide applications of our theory in terms of consistency results for kernel PCA with dependent data and the conditional mean embedding of transition probabilities. Finally, we use our approach to examine the nonparametric estimation of Markov transition operators and highlight how our theory can give a consistency analysis for a large family of spectral analysis methods including kernel-based dynamic mode decomposition.

我们介绍了一种算法，用于计算采样歧管的测量测量算法，其依赖于对采样数据的植物嵌入的曲线图的模拟。我们的方法利用经典的结果在半导体分析和量子古典对应中，并形成用于学习数据集的歧管的技术的基础，随后用于高维数据集的非线性维度降低。我们以基于CoVID-19移动数据的聚类演示，从模型歧管中采样数据采样的数据，并通过集群演示来说明新的算法。最后，我们的方法揭示了数据采样和量化提供的离散化之间有趣的连接。