Deep-learning reconstruction of complex dynamical networks from incomplete data

推论 计算机科学 动力系统理论 人工智能 深度学习 机器学习 互惠(文化人类学) 多样性(控制论) 学习网络 数据挖掘 心理学 社会心理学 物理 量子力学
作者
Xiao Ding,Ling-Wei Kong,Haifeng Zhang,Ying–Cheng Lai
出处
期刊:Chaos [American Institute of Physics]
卷期号:34 (4) 被引量:1
标识
DOI:10.1063/5.0201557
摘要

Reconstructing complex networks and predicting the dynamics are particularly challenging in real-world applications because the available information and data are incomplete. We develop a unified collaborative deep-learning framework consisting of three modules: network inference, state estimation, and dynamical learning. The complete network structure is first inferred and the states of the unobserved nodes are estimated, based on which the dynamical learning module is activated to determine the dynamical evolution rules. An alternating parameter updating strategy is deployed to improve the inference and prediction accuracy. Our framework outperforms baseline methods for synthetic and empirical networks hosting a variety of dynamical processes. A reciprocity emerges between network inference and dynamical prediction: better inference of network structure improves the accuracy of dynamical prediction, and vice versa. We demonstrate the superior performance of our framework on an influenza dataset consisting of 37 US States and a PM2.5 dataset covering 184 cities in China.
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