Deep learning-based state prediction of the Lorenz system with control parameters

李雅普诺夫指数 洛伦兹系统 非线性系统 混乱的 人工神经网络 控制理论(社会学) 动力系统理论 计算机科学 残余物 分叉 应用数学 数学 人工智能 算法 控制(管理) 物理 量子力学
作者
Xiaolong Wang,Jing Feng,Yong Xu,Jürgen Kurths
出处
期刊:Chaos [American Institute of Physics]
卷期号:34 (3) 被引量:1
标识
DOI:10.1063/5.0187866
摘要

Nonlinear dynamical systems with control parameters may not be well modeled by shallow neural networks. In this paper, the stable fixed-point solutions, periodic and chaotic solutions of the parameter-dependent Lorenz system are learned simultaneously via a very deep neural network. The proposed deep learning model consists of a large number of identical linear layers, which provide excellent nonlinear mapping capability. Residual connections are applied to ease the flow of information and a large training dataset is further utilized. Extensive numerical results show that the chaotic solutions can be accurately forecasted for several Lyapunov times and long-term predictions are achieved for periodic solutions. Additionally, the dynamical characteristics such as bifurcation diagrams and largest Lyapunov exponents can be well recovered from the learned solutions. Finally, the principal factors contributing to the high prediction accuracy are discussed.
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