Métodos numéricos para previsão em sistemas dinâmicos
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2019 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB |
Texto Completo: | https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/19663 |
Resumo: | Many natural and artificial behaviors can be reproduced by dynamical systems described by differential equations, whose solutions are time series. Therefore, an important problem is how to determine which mathematical model is able of describing the behavior of a given dynamical system, as well as how to determine what are the values of the parameters governing this model. Solving this problem enables one to obtain information about the evolution of the system and to determine its possible future states. This information is especially important when dealing with systems of difficult forecast, as is the case of complex or nonlinear systems, which are extremely sensitive to their initial conditions. To try to reproduce the dynamics of systems whose equations are not known, we will study the Lorenz system. Our goal is to show that knowledge of time series data from dynamical systems can be used to recover the dynamics originating the observed behavior. Then, using this recovered dynamics, we will address the problem of predicting the future state on time series. We have developed a technique of artificial intelligence using polynomial functions to calculate the evolution velocities of the state variables of the system, aiming to recover its underlying dynamics, and then forecast its future evolution. The algorithm is capable of adapting to the system, with flexible parameters extracted from the previously observed data, even when the time series is contaminated by observation noise. We hope that our method will be useful beyond basic science in many applications, such as making predictions of systems that may be physical, biological, financial, geographic, meteorological, etc. |
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Métodos numéricos para previsão em sistemas dinâmicosDinâmica não-linearPrevisão em sistemas dinâmicosRegressão linearAprendizado de máquinaCaos determinísticoNonlinear dynamicsPrediction is dynamical systemsLinear regressionMachine learningDeterministic chaosCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAOMany natural and artificial behaviors can be reproduced by dynamical systems described by differential equations, whose solutions are time series. Therefore, an important problem is how to determine which mathematical model is able of describing the behavior of a given dynamical system, as well as how to determine what are the values of the parameters governing this model. Solving this problem enables one to obtain information about the evolution of the system and to determine its possible future states. This information is especially important when dealing with systems of difficult forecast, as is the case of complex or nonlinear systems, which are extremely sensitive to their initial conditions. To try to reproduce the dynamics of systems whose equations are not known, we will study the Lorenz system. Our goal is to show that knowledge of time series data from dynamical systems can be used to recover the dynamics originating the observed behavior. Then, using this recovered dynamics, we will address the problem of predicting the future state on time series. We have developed a technique of artificial intelligence using polynomial functions to calculate the evolution velocities of the state variables of the system, aiming to recover its underlying dynamics, and then forecast its future evolution. The algorithm is capable of adapting to the system, with flexible parameters extracted from the previously observed data, even when the time series is contaminated by observation noise. We hope that our method will be useful beyond basic science in many applications, such as making predictions of systems that may be physical, biological, financial, geographic, meteorological, etc.NenhumaMuitos comportamentos naturais e artificiais podem ser reproduzidos por sistemas dinâmicos descritos por equações diferenciais, cujas soluções formam séries temporais. Portanto, um problema importante é a determinação de qual modelo matemático é capaz de descrever o comportamento de um dado sistema dinâmico, e como determinar quais são valores dos parâmetros que regem este modelo. A solução desse problema nos permite obter informações sobre a evolução do sistema e a determinação de seus possíveis estados futuros. Estas informações são especialmente importantes em sistemas de difícil previsão, como é o caso de sistemas complexos ou não-lineares, que possuem grande sensibilidade a condições iniciais. Para tentar reproduzir a dinâmica de sistemas cujas equações não são conhecidas, estudaremos o sistema de Lorenz. Temos como objetivo mostrar que o conhecimento de séries temporais de dados oriundos de sistemas dinâmicos podem ser usadas para recuperar a dinâmica que origina o comportamento observado. Em seguida, usando esta dinâmica recuperada, abordaremos o problema da previsão do estado futuro. Desenvolvemos uma técnica de inteligência artificial utilizando funções polinomiais para calcular as velocidades de evolução das variáveis de estado do sistema, com o objetivo de recuperar sua dinâmica, para em seguida realizar a previsão. Veremos que o algoritmo é capaz de se adaptar ao sistema, com parâmetros flexíveis, extraídos a partir dos dados coletados em observações pregressas, mesmo quando estes dados estão contaminados por ruído observacional. Esperamos que o nosso método seja útil além da ciência básica, em várias aplicações, tais como fazer previsões de sistemas físicos, biológicos, financeiros, geográficos, meteorológicos, etcUniversidade Federal da ParaíbaBrasilInformáticaPrograma de Pós-Graduação em Modelagem Matemática e computacionalUFPBCavalcante, Hugo Leonardo Davi de Souzahttp://lattes.cnpq.br/8395680021547657Salustiano Júnior, Wilson2021-03-01T02:27:35Z2020-02-282021-03-01T02:27:35Z2019-12-13info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/19663porhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPBinstname:Universidade Federal da Paraíba (UFPB)instacron:UFPB2021-08-05T13:48:47Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/19663Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufpb.br/PUBhttp://tede.biblioteca.ufpb.br:8080/oai/requestdiretoria@ufpb.br|| diretoria@ufpb.bropendoar:2021-08-05T13:48:47Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false |
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