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准确特征对集合:<math>{(\lambda_j, g_j) \mid res(\lambda_j, g_j) \leq \epsilon\}<math>(<math>\lambda_j</math>为特征值,<math>g_j</math>为近似特征函数)
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* 准确特征对集合:<math>{(\lambda_j, g_j) \mid res(\lambda_j, g_j) \leq \epsilon\}<math>(<math>\lambda_j</math>为特征值,<math>g_j</math>为近似特征函数)
    
算法过程:
 
算法过程:
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1. 计算三个核心矩阵:<math>\Psi_X^* W \Psi_X</math>、<math>\Psi_X^* W \Psi_Y</math>、<math>\Psi_Y^* W \Psi_Y</math>(<math>\Psi_X/\Psi_Y</math>为字典在<math>x/y</math>上的取值矩阵,<math>W</math>为权重对角矩阵)。
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2. 求解广义特征值问题:<math>(\Psi_X^* W \Psi_Y)g = \lambda(\Psi_X^* W \Psi_X)g</math>,得到候选特征对。
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# 计算三个核心矩阵:<math>\Psi_X^* W \Psi_X</math>、<math>\Psi_X^* W \Psi_Y</math>、<math>\Psi_Y^* W \Psi_Y</math>(<math>\Psi_X/\Psi_Y</math>为字典在<math>x/y</math>上的取值矩阵,<math>W</math>为权重对角矩阵)。
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3. 计算每个候选特征对的残差<math>res(\lambda_j, g_j)</math>(衡量特征对与真实Koopman算子的契合度)。
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# 求解广义特征值问题:<math>(\Psi_X^* W \Psi_Y)g = \lambda(\Psi_X^* W \Psi_X)g</math>,得到候选特征对。
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4. 丢弃残差大于<math>\epsilon</math>的伪特征对,保留满足精度的有效特征对。
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# 计算每个候选特征对的残差<math>res(\lambda_j, g_j)</math>(衡量特征对与真实Koopman算子的契合度)。
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# 丢弃残差大于<math>\epsilon</math>的伪特征对,保留满足精度的有效特征对。
    
核心用处:
 
核心用处:
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提取Koopman算子的离散谱(特征值)及对应特征函数,无虚假特征值污染。
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适用于需要明确系统主导模态的场景(如流体动力学中的振荡模态、分子动力学中的关键运动模式)。
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ResDMD计算ε-伪谱估计算法:扩展算法2的功能,计算Koopman算子的<math>\epsilon</math>-伪谱,弥补特征值无法反映的非正规算子暂态行为和谱分布信息。
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* 提取Koopman算子的离散谱(特征值)及对应特征函数,无虚假特征值污染。
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* 适用于需要明确系统主导模态的场景(如流体动力学中的振荡模态、分子动力学中的关键运动模式)。
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二、ResDMD计算ε-伪谱估计算法:扩展算法2的功能,计算Koopman算子的<math>\epsilon</math>-伪谱,弥补特征值无法反映的非正规算子暂态行为和谱分布信息。
    
输入:
 
输入:
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快照数据:<math>{x^{(j)}\}_{j=1}^M</math>(初始状态)、<math>{y^{(j)}=F(x^{(j)})\}_{j=1}^M</math>(下一时刻状态)
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积分权重:<math>{w_j\}_{j=1}^M</math>(用于数值积分近似)
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观测字典:<math>{\psi_j\}_{j=1}^{N_K}</math>(刻画系统状态的观测函数集合)
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精度目标:<math>epsilon>0</math>(残差阈值)
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复平面网格:<math>\{z_1,...,z_k\} \subset \mathbb{C}</math>(待评估的谱区域网格点)
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输出
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* 快照数据:<math>{x^{(j)}\}_{j=1}^M</math>(初始状态)、<math>{y^{(j)}=F(x^{(j)})\}_{j=1}^M</math>(下一时刻状态)
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<math>\epsilon</math>-伪谱估计:<math>\{z_j \mid \tau_j < \epsilon\}</math>(<math>\tau_j</math>为网格点<math>z_j</math>的最小残差)
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* 积分权重:<math>{w_j\}_{j=1}^M</math>(用于数值积分近似) 观测字典:<math>{\psi_j\}_{j=1}^{N_K}</math>(刻画系统状态的观测函数集合)
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近似特征函数:<math>\{g_j \mid \tau_j < \epsilon\}</math>(对应伪谱区域的<math>\epsilon</math>-近似特征函数)
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* 精度目标:<math>epsilon>0</math>(残差阈值)
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* 复平面网格:<math>\{z_1,...,z_k\} \subset \mathbb{C}</math>(待评估的谱区域网格点)
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* <math>\epsilon</math>-伪谱估计:<math>\{z_j \mid \tau_j < \epsilon\}</math>(<math>\tau_j</math>为网格点<math>z_j</math>的最小残差)
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* 近似特征函数:<math>\{g_j \mid \tau_j < \epsilon\}</math>(对应伪谱区域的<math>\epsilon</math>-近似特征函数)
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算法过程:
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算法过程
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# 计算三个核心矩阵:<math>\Psi_X^* W \Psi_X</math>、<math>\Psi_X^* W \Psi_Y</math>、<math>\Psi_Y^* W \Psi_Y</math>(<math>\Psi_X/\Psi_Y</math>为字典在<math>x/y</math>上的取值矩阵,<math>W</math>为权重对角矩阵)。
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1. 计算三个核心矩阵:<math>\Psi_X^* W \Psi_X</math>、<math>\Psi_X^* W \Psi_Y</math>、<math>\Psi_Y^* W \Psi_Y</math>(<math>\Psi_X/\Psi_Y</math>为字典在<math>x/y</math>上的取值矩阵,<math>W</math>为权重对角矩阵)。
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# 对每个网格点<math>z_j</math>,求解最小残差<math>\tau_j = \min_{g \in \mathbb{C}^{N_K}} res(z_j, \Psi g)</math>(转化为广义SVD问题)。
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2. 对每个网格点<math>z_j</math>,求解最小残差<math>\tau_j = \min_{g \in \mathbb{C}^{N_K}} res(z_j, \Psi g)</math>(转化为广义SVD问题)。
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# 筛选出最小残差<math>\tau_j < \epsilon</math>的网格点,构成<math>\epsilon</math>-伪谱。
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3. 筛选出最小残差<math>\tau_j < \epsilon</math>的网格点,构成<math>\epsilon</math>-伪谱。
      
核心用处:
 
核心用处:
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检测谱污染:区分真实谱区域与虚假特征值。
+
 
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刻画非正规系统:伪谱可反映系统暂态行为(如湍流的短期演化、混沌系统的局部稳定性)。
+
* 检测谱污染:区分真实谱区域与虚假特征值。
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验证特征值可靠性:位于伪谱内的特征值才是可信的。
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* 刻画非正规系统:伪谱可反映系统暂态行为(如湍流的短期演化、混沌系统的局部稳定性)。
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* 验证特征值可靠性:位于伪谱内的特征值才是可信的。
    
===例子===
 
===例子===
第481行: 第487行:  
实验数据为快照对<math>{(x^{(j)}, y^{(j)})\}_{j=1}^M</math>,其中<math>(y^{(j)}=F(x^{(j)})</math>(F为高斯迭代映射),<math>x^{(j)}</math>的采样方式与权重随积分规则变化,共测试 4 类典型积分规则:
 
实验数据为快照对<math>{(x^{(j)}, y^{(j)})\}_{j=1}^M</math>,其中<math>(y^{(j)}=F(x^{(j)})</math>(F为高斯迭代映射),<math>x^{(j)}</math>的采样方式与权重随积分规则变化,共测试 4 类典型积分规则:
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高斯 - 勒让德规则:采样点:移植到<math>[-1,0]</math>的高斯 - 勒让德节点(最优多项式积分节点);权重:对应规则的标准权重。
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* 高斯 - 勒让德规则:采样点:移植到<math>[-1,0]</math>的高斯 - 勒让德节点(最优多项式积分节点);权重:对应规则的标准权重。
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梯形规则采样点:等距点<math>x^{(j)} = -1 + \frac{j-1}{M-1}</math><math>(j=1,2,...,M)</math>;权重:端点<math>w_1=w_M=\frac{1}{2(M-1)}</math>,中间点<math>w_j=\frac{1}{M-1}</math>。
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* 梯形规则采样点:等距点<math>x^{(j)} = -1 + \frac{j-1}{M-1}</math><math>(j=1,2,...,M)</math>;权重:端点<math>w_1=w_M=\frac{1}{2(M-1)}</math>,中间点<math>w_j=\frac{1}{M-1}</math>。
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黎曼和规则采样点:与梯形规则一致;权重:所有权重<math>w_j=\frac{1}{M-1}</math>(不调整端点权重,作为基础对照)。
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* 黎曼和规则采样点:与梯形规则一致;权重:所有权重<math>w_j=\frac{1}{M-1}</math>(不调整端点权重,作为基础对照)。
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蒙特卡洛规则采样点:从<math>[-1,0]</math>的均匀分布中随机抽取;权重:所有权重<math>w_j=\frac{1}{M}</math>(模拟高维系统随机采样场景)。
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* 蒙特卡洛规则采样点:从<math>[-1,0]</math>的均匀分布中随机抽取;权重:所有权重<math>w_j=\frac{1}{M}</math>(模拟高维系统随机采样场景)。
    
左图验证 ResDMD 的谱污染剔除能力,以复平面(横轴<math>Re(\lambda)</math>、纵轴<math>Im(\lambda)</math>)为背景,黑色曲线是伪谱轮廓,分别对应<math>\epsilon=0.001,0.01,0.1,0.3</math>的<math>\epsilon</math>- 伪谱,定义为:<math>\sigma_\epsilon(K) = cl\left(\{\lambda \in \mathbb{C} \mid \|(K - \lambda)^{-1}\| > 1/\epsilon\}\right)</math>。其中<math>cl(\cdot)</math>表示集合的闭包,K为 Koopman 算子。品红色圆点为传统 EDMD 特征值,大量特征值位于伪谱之外,这些是离散化导致的谱污染(虚假特征值),无法反映系统真实动力学,例如虚部 > 0.5 的特征值对应不存在的高频振荡,与高斯迭代映射的实际动力学矛盾。蓝色叉号为ResDMD 筛选特征值,所有特征值均位于<math>\epsilon=0.01</math>的伪谱内。
 
左图验证 ResDMD 的谱污染剔除能力,以复平面(横轴<math>Re(\lambda)</math>、纵轴<math>Im(\lambda)</math>)为背景,黑色曲线是伪谱轮廓,分别对应<math>\epsilon=0.001,0.01,0.1,0.3</math>的<math>\epsilon</math>- 伪谱,定义为:<math>\sigma_\epsilon(K) = cl\left(\{\lambda \in \mathbb{C} \mid \|(K - \lambda)^{-1}\| > 1/\epsilon\}\right)</math>。其中<math>cl(\cdot)</math>表示集合的闭包,K为 Koopman 算子。品红色圆点为传统 EDMD 特征值,大量特征值位于伪谱之外,这些是离散化导致的谱污染(虚假特征值),无法反映系统真实动力学,例如虚部 > 0.5 的特征值对应不存在的高频振荡,与高斯迭代映射的实际动力学矛盾。蓝色叉号为ResDMD 筛选特征值,所有特征值均位于<math>\epsilon=0.01</math>的伪谱内。
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