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离散时间场景适用于状态演化由离散映射描述的系统,如采样数据系统、迭代过程、数字控制中的离散时间模型等,是实际工程中数据驱动建模的常用场景。  
 
离散时间场景适用于状态演化由离散映射描述的系统,如采样数据系统、迭代过程、数字控制中的离散时间模型等,是实际工程中数据驱动建模的常用场景。  
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设离散时间自治动力系统的状态演化满足:
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设离散时间自治动力系统的状态演化满足<ref name="koopman_1931" /><ref name="koop_v_1932" /><ref name="brunton_2022" />:
    
<math> x_{k+1} = F(x_k), \quad x_0 \in X </math>
 
<math> x_{k+1} = F(x_k), \quad x_0 \in X </math>
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式中,<math> g(x) </math>是任意观测函数(输入); <math> F(x) </math>是离散流映射,将第 k 步状态<math> x_k </math> 映射到第 k+1 步状态 <math> x_{k+1} </math>; <math> g\left( F(x) \right) </math>是观测函数的演化结果(输出),表示“先让状态 x 演化1个离散步,再对演化后的状态进行观测”。  
 
式中,<math> g(x) </math>是任意观测函数(输入); <math> F(x) </math>是离散流映射,将第 k 步状态<math> x_k </math> 映射到第 k+1 步状态 <math> x_{k+1} </math>; <math> g\left( F(x) \right) </math>是观测函数的演化结果(输出),表示“先让状态 x 演化1个离散步,再对演化后的状态进行观测”。  
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离散Koopman算子有如下特性:
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离散Koopman算子有如下特性<ref name="brunton_2022" />:
    
1. 线性性:满足<math> \mathcal{K} (\alpha_1 g_1 + \alpha_2 g_2) = \alpha_1 \mathcal{K} g_1 + \alpha_2 \mathcal{K} g_2 </math> ;  
 
1. 线性性:满足<math> \mathcal{K} (\alpha_1 g_1 + \alpha_2 g_2) = \alpha_1 \mathcal{K} g_1 + \alpha_2 \mathcal{K} g_2 </math> ;  
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2. 半群性质:<math> \mathcal{K}^{m+n} = \mathcal{K}^m \circ \mathcal{K}^n </math>( m 步+ n 步演化等价于 m+n 步演化);  
 
2. 半群性质:<math> \mathcal{K}^{m+n} = \mathcal{K}^m \circ \mathcal{K}^n </math>( m 步+ n 步演化等价于 m+n 步演化);  
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3. 特征函数关系:若<math> \varphi </math>是<math> \mathcal{K} </math> 的特征函数,满足<math> \mathcal{K} \varphi = \lambda \varphi </math>,则<math> \mathcal{K}^m \varphi = \lambda^m \varphi </math> ,即特征函数的演化仅需乘以特征值的 m 次幂——这是离散时间下线性化分析的核心。
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3. 特征函数关系:若<math> \varphi </math>是<math> \mathcal{K} </math> 的特征函数,满足<math> \mathcal{K} \varphi = \lambda \varphi </math>,则<math> \mathcal{K}^m \varphi = \lambda^m \varphi </math> ,即特征函数的演化仅需乘以特征值的 m 次幂——这是离散时间下线性化分析的核心(详细过程见下文Koopman模式分解)。
    
==时间连续==
 
==时间连续==
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连续时间场景适用于状态演化由常微分方程(ODE)或偏微分方程(PDE)描述的系统,如连续运动的机械系统、流体流动等。
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连续时间场景适用于状态演化由[[常微分方程(ODE)]]或[[偏微分方程(PDE)]]描述的系统,如连续运动的机械系统、流体流动等。
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设连续时间自治动力系统的状态演化满足:
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设连续时间自治动力系统的状态演化满足<ref name="koopman_1931" /><ref name="koop_v_1932" /><ref name="brunton_2022" />:
    
<math> \dot{x}(t) = f(x(t)), \quad x(0) = x_0 \in X </math>  
 
<math> \dot{x}(t) = f(x(t)), \quad x(0) = x_0 \in X </math>  
第68行: 第68行:  
式中, <math> \nabla g(x) </math>为观测函数<math> g </math> 在状态<math> x </math> 处的梯度( <math> n </math>维向量),即 <math> \nabla g = \left( \frac{\partial g}{\partial x_1},\frac{\partial g}{\partial x_2},\dots, \frac{\partial g}{\partial x_n} \right)^T </math> ;<math> f(x) </math> 为系统的向量场,描述状态的瞬时变化率; <math> \cdot </math>为向量点积,结果为标量;生成元 <math> \mathcal{L} g </math>表示观测函数 <math> g </math>随状态演化的瞬时变化率,即<math> \mathcal{L} g(x) = \frac{d}{dt} g(x(t)) </math> 。  
 
式中, <math> \nabla g(x) </math>为观测函数<math> g </math> 在状态<math> x </math> 处的梯度( <math> n </math>维向量),即 <math> \nabla g = \left( \frac{\partial g}{\partial x_1},\frac{\partial g}{\partial x_2},\dots, \frac{\partial g}{\partial x_n} \right)^T </math> ;<math> f(x) </math> 为系统的向量场,描述状态的瞬时变化率; <math> \cdot </math>为向量点积,结果为标量;生成元 <math> \mathcal{L} g </math>表示观测函数 <math> g </math>随状态演化的瞬时变化率,即<math> \mathcal{L} g(x) = \frac{d}{dt} g(x(t)) </math> 。  
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连续Koopman算子有如下特性:
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连续Koopman算子有如下特性<ref name="brunton_2022" />:
    
1. 线性性:对任意观测函数 <math> g_1, g_2 \in \mathcal{G}(X) </math>和常数<math> \alpha_1, \alpha_2 \in \mathbb{C} </math> ,满足: <math> \mathcal{K}^t (\alpha_1 g_1 + \alpha_2 g_2) = \alpha_1 \mathcal{K}^t g_1 + \alpha_2 \mathcal{K}^t g_2 </math>生成元<math> \mathcal{L} </math> 同样满足线性性;
 
1. 线性性:对任意观测函数 <math> g_1, g_2 \in \mathcal{G}(X) </math>和常数<math> \alpha_1, \alpha_2 \in \mathbb{C} </math> ,满足: <math> \mathcal{K}^t (\alpha_1 g_1 + \alpha_2 g_2) = \alpha_1 \mathcal{K}^t g_1 + \alpha_2 \mathcal{K}^t g_2 </math>生成元<math> \mathcal{L} </math> 同样满足线性性;
第74行: 第74行:  
2. 半群性质:<math> \mathcal{K}^{t+s} = \mathcal{K}^t \circ \mathcal{K}^s </math>(先演化 <math> s </math> 再演化 <math> t </math>,等价于直接演化 <math> t+s </math>;
 
2. 半群性质:<math> \mathcal{K}^{t+s} = \mathcal{K}^t \circ \mathcal{K}^s </math>(先演化 <math> s </math> 再演化 <math> t </math>,等价于直接演化 <math> t+s </math>;
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3. 与Koopman特征函数的关系:若<math> \varphi </math> 是 <math> \mathcal{L} </math>的特征函数(满足<math> \mathcal{L} \varphi = \mu \varphi </math> ,则 <math> \mathcal{K}^t \varphi = e^{\mu t} \varphi </math>,即 <math> \varphi </math> 也是 <math> \mathcal{K}^t </math>的特征函数,特征值 <math> \lambda = e^{\mu t} </math>。
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3. 与Koopman特征函数的关系:若<math> \varphi </math> 是 <math> \mathcal{L} </math>的特征函数(满足<math> \mathcal{L} \varphi = \mu \varphi </math> ,则 <math> \mathcal{K}^t \varphi = e^{\mu t} \varphi </math>,即 <math> \varphi </math> 也是 <math> \mathcal{K}^t </math>的特征函数,特征值 <math> \lambda = e^{\mu t} </math>(详细过程见下文Koopman模式分解)。
    
=Koopman模式分解=
 
=Koopman模式分解=
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