Predictive simulations of complex systems are essential for applications ranging from weather forecasting to drug design. The veracity of these predictions hinges on their capacity to capture the effective system dynamics. Massively parallel simulations predict the system dynamics by resolving all spatiotemporal scales, often at a cost that prevents experimentation while their findings may not allow for generalisation. On the other hand reduced order models are fast but limited by the frequently adopted linearization of the system dynamics and/or the utilization of heuristic closures. Here we present a novel systematic framework that bridges large scale simulations and reduced order models to Learn the Effective Dynamics (LED) of diverse complex systems. The framework forms algorithmic alloys between non-linear machine learning algorithms and the Equation-Free approach for modeling complex systems. LED deploys autoencoders to formulate a mapping between fine and coarse-grained representations and evolves the latent space dynamics using recurrent neural networks. The algorithm is validated on benchmark problems and we find that it outperforms state of the art reduced order models in terms of predictability and large scale simulations in terms of cost. LED is applicable to systems ranging from chemistry to fluid mechanics and reduces the computational effort by up to two orders of magnitude while maintaining the prediction accuracy of the full system dynamics. We argue that LED provides a novel potent modality for the accurate prediction of complex systems.


翻译:复杂系统的预测模拟对于从天气预报到药物设计等各种应用至关重要。 这些预测的真实性取决于它们捕捉有效系统动态的能力。 大规模平行模拟通过解决所有时空尺度来预测系统动态, 往往以妨碍实验的成本预测系统动态, 而其发现可能无法进行概括化。 另一方面, 减少订单模型是快速的, 但因系统动态和/或超常封闭的利用经常采用的线性化系统而受到限制。 我们在这里提出了一个新的系统框架,将大规模模拟和减少订单模型连接起来,以了解不同复杂系统的有效动态(LED)的能力。 框架形式是非线性机器学习算法和模拟复杂系统无衡方法之间的算法合金。 LED 部署自动调整器,在精细和粗粗的表达方式之间绘制地图,并利用经常的神经网络发展潜在的空间动态。 算法对基准问题进行了验证,我们发现,从可预测性和大规模模拟成本成本方面来说,它超越了工艺减序模型的状态。 框架形式是非线机机机机机学习算算法, 和模型的精确度计算方法可以用于从化学的精确度的精确度系统。 我们的精确度测测算系统, 将精度的精度的精度的精度的精度用于对精度的精度的精度的精度的精确度系统, 。

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