Dimensionally consistent learning with Buckingham Pi

无量纲量 白金汉 稳健性(进化) 数学 参数空间 数学分析 算法 计算机科学 物理 几何学 生物化学 机械 量子力学 基因 化学
作者
Joseph Bakarji,Jared Callaham,Steven L. Brunton,J. Nathan Kutz
出处
期刊:Nature Computational Science [Springer Nature]
卷期号:2 (12): 834-844 被引量:21
标识
DOI:10.1038/s43588-022-00355-5
摘要

In the absence of governing equations, dimensional analysis is a robust technique for extracting insights and finding symmetries in physical systems. Given measurement variables and parameters, the Buckingham Pi theorem provides a procedure for finding a set of dimensionless groups that spans the solution space, although this set is not unique. We propose an automated approach using the symmetric and self-similar structure of available measurement data to discover the dimensionless groups that best collapse these data to a lower dimensional space according to an optimal fit. We develop three data-driven techniques that use the Buckingham Pi theorem as a constraint: (1) a constrained optimization problem with a non-parametric input–output fitting function, (2) a deep learning algorithm (BuckiNet) that projects the input parameter space to a lower dimension in the first layer and (3) a technique based on sparse identification of nonlinear dynamics to discover dimensionless equations whose coefficients parameterize the dynamics. We explore the accuracy, robustness and computational complexity of these methods and show that they successfully identify dimensionless groups in three example problems: a bead on a rotating hoop, a laminar boundary layer and Rayleigh–Bénard convection. Three machine learning methods are developed for discovering physically meaningful dimensionless groups and scaling parameters from data, with the Buckingham Pi theorem as a constraint.
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