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How to quantify interaction strengths? A critical rethinking of the interaction Jacobian and evaluation methods for non-parametric inference in time series analysis

系列(地层学) 雅可比矩阵与行列式 推论 参数统计 时间序列 计量经济学 参数化模型 计算机科学 数学 应用数学 人工智能 统计 机器学习 地质学 古生物学
作者
Takeshi Miki,Chun‐Wei Chang,Po‐Ju Ke,Arndt Telschow,Cheng‐Han Tsai,Masayuki Ushio,Chih‐hao Hsieh
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2411.09030
摘要

Quantifying interaction strengths between state variables in dynamical systems is essential for understanding ecological networks. Within the empirical dynamic modeling approach, multivariate S-map infers the interaction Jacobian from time series data without assuming specific dynamical models. This approach enables the non-parametric statistical inference of interspecific interactions through state space reconstruction. However, deviations in the biological interpretation and numerical implementation of the interaction Jacobian from its mathematical definition pose challenges. We mathematically reintroduce the interaction Jacobian using differential quotients, uncovering two problems: (1) the mismatch between the interaction Jacobian and its biological meaning complicates comparisons between interspecific and intraspecific interactions; (2) the interaction Jacobian is not fully implemented in the parametric Jacobian numerically derived from given parametric models, especially using ordinary differential equations. As a result, model-based evaluations of S-map methods become inappropriate. To address these problems, (1) we propose adjusting the diagonal elements of the interaction Jacobian by subtracting 1 to resolve the comparability problem between inter- and intraspecific interaction strengths. Simulations of population dynamics showed that this adjustment prevents overestimation of intraspecific interaction strengths. (2) We introduce an alternative parametric Jacobian and then cumulative interaction strength (CIS), providing a more rigorous benchmark for evaluating S-map methods. Furthermore, we demonstrated that the numerical gap between CIS and the existing parametric Jacobian is substantial in realistic scenarios, suggesting CIS as preferred benchmark. These solutions offer a clearer framework for developing non-parametric approaches in ecological time series analysis.
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