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| | |keywords=Koopman算子,观测函数,动力学模式分解 | | |keywords=Koopman算子,观测函数,动力学模式分解 |
| | |description=本文系统综述了Koopman理论及其应用。}} | | |description=本文系统综述了Koopman理论及其应用。}} |
| − | [[Koopman理论]]是一种将[[非线性动力系统]]用线性算子来分析的方法。它提出,虽然原始[[系统]]可能是非线性的,但可以通过Koopman算子作用在观测函数空间,使得[[系统]]在这个更高维的空间中变得线性。这样,使用线性分析工具(如谱分析、[[特征分解]])就能研究[[复杂]]的非线性动态行为,大大拓展了对[[非线性系统]]的理解和建模能力。该理论广泛应用于流体力学、[[混沌]][[系统]]和数据驱动建模等领域。 | + | [[Koopman算子理论]]是一种将[[非线性动力系统]]用线性算子来分析的方法。它提出,虽然原始[[系统]]可能是非线性的,但可以通过Koopman算子作用在观测函数空间,使得[[系统]]在这个更高维的空间中变得线性。如此得到的线性动力系统与原系统是拓扑等价的,即它们有着相同的动力学性质。这样,使用线性分析工具(如谱分析、[[特征分解]]、[[模式分解]])就能研究[[复杂]]的非线性动态行为,对其可以有更好的预测和解释,大大拓展了我们对[[非线性系统]]的理解和建模能力。该理论广泛应用于流体力学、[[混沌]][[系统]]和数据驱动建模等领域。 |
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| | =历史溯源= | | =历史溯源= |
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| | ==时间离散== | | ==时间离散== |
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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。 设离散时间自治动力系统的状态演化满足: | | 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。 设离散时间自治动力系统的状态演化满足: |
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| | ==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。 | | 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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| | == 随机动力系统 == | | == 随机动力系统 == |
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| | 实际系统常受随机噪声、参数扰动或外部不确定性影响,此时需将 Koopman 算子扩展到[[随机动力系统]](RDS,Random Dynamical System),核心是通过 “期望” 将随机演化转化为确定性算子作用。 | | 实际系统常受随机噪声、参数扰动或外部不确定性影响,此时需将 Koopman 算子扩展到[[随机动力系统]](RDS,Random Dynamical System),核心是通过 “期望” 将随机演化转化为确定性算子作用。 |
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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)。若<math> \varphi </math>是<math> \mathcal{K} </math> 的特征函数,即存在<math> \mathcal{K} \varphi = \lambda \varphi </math>,则<math> \mathcal{K}^m \varphi = \lambda^m \varphi </math> (详细过程见下文Koopman模式分解)。 | | 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)。若<math> \varphi </math>是<math> \mathcal{K} </math> 的特征函数,即存在<math> \mathcal{K} \varphi = \lambda \varphi </math>,则<math> \mathcal{K}^m \varphi = \lambda^m \varphi </math> (详细过程见下文Koopman模式分解)。 |
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| | + | 3. 伴随算子:Koopman算子与[[Perron-Frobenius算子]]<math>\mathcal{P}</math>互为伴随算子,即<math>\langle \mathcal{P}^t f, g \rangle = \langle f, \mathcal{K}^t g \rangle, \text{ 其中 } \langle f, g \rangle := \int_{\mathcal{X}} \bar{f}(\mathbf{x}) g(\mathbf{x}) dm.</math>详细的阐述见后文“Perron-Frobenius算子”章节。 |
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| | + | 4. 无穷小[[生成元]]:Koopman算子的无穷小生成元是[[Lie算子]],即在观测空间中,根据Koopman算子迭代的一步过程可以由[[Lie算子]]作用很多步生成得到。 |
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| | =Koopman模式分解= | | =Koopman模式分解= |