Modeling sequential patterns from data is at the core of various time series forecasting tasks. Deep learning models have greatly outperformed many traditional models, but these black-box models generally lack explainability in prediction and decision making. To reveal the underlying trend with understandable mathematical expressions, scientists and economists tend to use partial differential equations (PDEs) to explain the highly nonlinear dynamics of sequential patterns. However, it usually requires domain expert knowledge and a series of simplified assumptions, which is not always practical and can deviate from the ever-changing world. Is it possible to learn the differential relations from data dynamically to explain the time-evolving dynamics? In this work, we propose an learning framework that can automatically obtain interpretable PDE models from sequential data. Particularly, this framework is comprised of learnable differential blocks, named $P$-blocks, which is proved to be able to approximate any time-evolving complex continuous functions in theory. Moreover, to capture the dynamics shift, this framework introduces a meta-learning controller to dynamically optimize the hyper-parameters of a hybrid PDE model. Extensive experiments on times series forecasting of financial, engineering, and health data show that our model can provide valuable interpretability and achieve comparable performance to state-of-the-art models. From empirical studies, we find that learning a few differential operators may capture the major trend of sequential dynamics without massive computational complexity.


翻译:从数据中建模顺序模式是不同时间序列预测任务的核心。深深学习模型已经大大优于许多传统模型,但这些黑盒模型通常在预测和决策中缺乏解释性。要揭示以可理解数学表达方式显示的基本趋势,科学家和经济学家往往使用局部差异方程式(PDEs)来解释高度非线性序列模式的高度非线性动态。然而,通常需要领域专家知识和一系列简化假设,这些假设并不总是实用的,而且可能偏离不断变化的世界。是否有可能从数据中动态地学习差异关系,以解释时间变化的动态?在这项工作中,我们建议了一个能够自动从连续数据中获得可解释的PDE模型的学习框架。特别是,这个框架由可学习的差别方程式组成,称为$P$-区块(PEs),以解释相继模式的高度非线性动态动态。此外,为了捕捉动态变化,这个框架还引入一个元学习控制器,以动态优化混合PDE模型的超参数。在金融、工程、以及健康动态模型的可变性时间序列中进行广泛的实验,我们可以找到一个可比较性、可变的模型。

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