We develop a Gaussian process framework for learning interaction kernels in multi-species interacting particle systems from trajectory data. Such systems provide a canonical setting for multiscale modeling, where simple microscopic interaction rules generate complex macroscopic behaviors. While our earlier work established a Gaussian process approach and convergence theory for single-species systems, and later extended to second-order models with alignment and energy-type interactions, the multi-species setting introduces new challenges: heterogeneous populations interact both within and across species, the number of unknown kernels grows, and asymmetric interactions such as predator-prey dynamics must be accommodated. We formulate the learning problem in a nonparametric Bayesian setting and establish rigorous statistical guarantees. Our analysis shows recoverability of the interaction kernels, provides quantitative error bounds, and proves statistical optimality of posterior estimators, thereby unifying and generalizing previous single-species theory. Numerical experiments confirm the theoretical predictions and demonstrate the effectiveness of the proposed approach, highlighting its advantages over existing kernel-based methods. This work contributes a complete statistical framework for data-driven inference of interaction laws in multi-species systems, advancing the broader multiscale modeling program of connecting microscopic particle dynamics with emergent macroscopic behavior.


翻译:我们开发了一个高斯过程框架,用于从轨迹数据中学习多物种相互作用粒子系统中的相互作用核。这类系统为多尺度建模提供了一个典型场景,其中简单的微观相互作用规则会产生复杂的宏观行为。尽管我们早期的工作为单物种系统建立了高斯过程方法及收敛理论,并随后扩展到具有对齐和能量型相互作用的二阶模型,但多物种场景引入了新的挑战:异质种群在物种内部及物种之间均发生相互作用,未知核的数量增加,且必须适应捕食者-猎物动力学等非对称相互作用。我们将学习问题表述为非参数贝叶斯框架,并建立了严格的统计保证。分析表明相互作用核的可恢复性,提供了定量误差界,并证明了后验估计量的统计最优性,从而统一并推广了先前的单物种理论。数值实验验证了理论预测,并证明了所提方法的有效性,突显了其相对于现有基于核方法的优势。本研究为多物种系统中相互作用律的数据驱动推断提供了一个完整的统计框架,推进了连接微观粒子动力学与涌现宏观行为的更广泛多尺度建模计划。

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