Bayesian methods and estimation of nonlinear dynamical systems

Η παρούσα διατριβή αφορά τη διάδραση μεταξύ Μπεϋζιανής στατιστικής και μη γραμμικών δυναμικών συστημάτων. Ειδικότερα, ο βασικός στόχος της διατριβής είναι η ανάπτυξη νέων μεθόδων Markov Chain Monte Carlo (MCMC) με εφαρμογές στο ευρύτερο πεδίο της μη γραμμικής δυναμικής. Το κίνητρο για την ανάπτυξη τέτοιων μεθόδων, αφορά την διάκριση της διαδικασίας μοντελοποίησης σε δύο βασικά διαδραστικά μέρη: το αιτιοκρατικό (ντετερμινιστικό) μέρος και τη στοχαστική διαδικασία θορύβου. Μέσω μιας τέτοιου είδους μοντελοποίησης, επιτυγχάνεται η σύλληψη μιας ευρείας συλλογής φαινομένων, αξιοποιώντας την πολυπλοκότητα της δυναμικής συμπεριφοράς λόγω του μη γραμμικού μέρους και τα νέα χαρακτηριστικά που αναδεικνύονται λόγω της εμπλοκής των στοχαστικών διαταραχών. Οι προτεινόμενες στατιστικές μέθοδοι είναι μη παραμετρικές και βασίζονται στη χρήση τυχαίων μέτρων πιθανότητας με γεωμετρικά βάρη (Geometric stick breaking process (GSB)) ως εκ των προτέρων κατανομές στο χώρο των μέτρων πιθανότητας. Μια σημαντική πτυχή των προτεινόμενων μεθόδων είναι η επίτευξη της χαλάρωσης μιας πολύ συχνής υπόθεσης στη βιβλιογραφία: της κανονικότητας της διαδικασίας θορύβου. Στα δύο πρώτα Κεφάλαια γίνεται αναφορά σε βασικές έννοιες της Μπεϋζιανής στατιστικής και της θεωρίας των δυναμικών συστημάτων. Στο Κεφάλαιο 3 κατασκεύαζουμε ένα μη παραμετρικό Μπεϋζιανό μοντέλο κατάλληλο για αναδόμηση των δυναμικών εξισώσεων και πρόγνωση μελλοντικών τιμών από παρατηρηθείσες χρονοσειρές μολυσμένες με προσθετικό δυναμικό θόρυβο: το μοντέλο geometric stick-breaking reconstruction (GSBR). Το GSBR μοντέλο βασίζεται στο τυχαίο μέτρο με γεωμετρικά βάρη (GSB), ενώ γίνεται επίσης παρουσίαση του αντίστοιχου μοντέλου Dirichlet process reconstruction (DPR) βασισμένου στο τυχαίο μέτρο DP, καθώς και η μεταξύ τους σύγκριση. Η μεθοδολογία επεκτείνεται ώστε να γίνει εφικτή η μοντελοποίηση χρησιμοποιώντας αυθαίρετο πεπερασμένο πλήθος όρων χρονικών υστερήσεων (lags), καθώς και στην πολυδιάστατη περίπτωση μέσω της άπειρης μίξης πολυδιάστατων κανονικών πυρήνων με άγνωστους πίνακες αποκρίσεων, χρησιμοποιώντας ως μέτρο μίξης το τυχαίο μέτρο GSB και μέτρο βάσης (base measure) μια κατανομή Wishart. Στο Κεφάλαιο 4, προτείνεται μια μη παραμετρική Μπεϋζιανή μεθοδολογία βασιζόμενη επίσης στο τυχαίο μέτρο GSB, με σκοπό τη μείωση δυναμικού θορύβου σε διαθέσιμα δεδομένα μη γραμμικών χρονοσειρών με προσθετικό θορυβο. Το μοντέλο Dynamic Noise Reduction Replicator (DNRR) επιτυγχάνει μεγάλη ακρίβεια στην αναδόμηση των δυναμικών εξισώσεων, ώστε να αναπαράγει την υποκείμενη δυναμική σε περιβάλλον ασθενέστερου δυναμικού θορύβου. Μέσω της εφαρμογής του DNRR είναι δυνατή η σύνδεση των περιοχών υψηλών αποκλίσεων από τον ντετερμινισμό με τις περιοχές των πρωταρχικών ομοκλινικών εφαπτομενικοτήτων του υποκείμενου ντετερμινιστικού συστήματος. Συσχετίζοντας τα στοχαστικά δυναμικά συστήματα με τα αντίστοιχα ντετερμινιστικά τους μέρη, στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται μία επέκταση του μοντέλου GSBR, με σκοπό τη στοχαστική προσέγγιση της ολικής ευσταθούς πολλαπλότητας (global stable manifold), με χρήση μεθόδου MCMC. Ειδικότερα, γίνεται παρουσίαση του οπισθοδρομικού (backward) GSBR μοντέλου BGSBR, μέσω του οποίου επιτυγχάνεται πρόβλεψη σε αντεστραμμένο χρόνο. Με κατάλληλες πολλαπλές εφαρμογές του BGSBR χρησιμοποιώντας υποσύνολα των διαθέσιμων δεδομένων, δείχνουμε ότι η ένωση των στηριγμάτων των περιθώριων κατανομών για τις διάφορες αρχικές συνθήκες παρέχουν μια στοχαστική προσέγγιση της ευσταθούς πολλαπλότητας του υποκείμενου ντετερμινιστικού συστήματος. Η μεθοδολογία είναι εφαρμόσιμη τόσο σε αντιστρέψιμες όσο και σε μη αντιστρέψιμες απεικονίσεις. Στο Κεφάλαιο 6 γίνεται σύνοψη των αποτελεσμάτων των προηγούμενων Κεφαλαίων και αναφορά σε θέματα για μελλοντική έρευνα, τα οποία προέκυψαν κατά τη διάρκεια εκπόνησης της παρούσας Διατριβής.

Showcase of Blue Sky Catastrophes

Let a system of differential equations possess a saddle periodic orbit such that every orbit in its unstable manifold is homoclinic, i.e. the unstable manifold is a subset of the (global) stable manifold. We study several bifurcation cases of the breakdown of such a homoclinic connection that causes the blue sky catastrophe, as well as the onset of complex dynamics. The birth of an invariant torus and a Klein bottle is also described.

Globalizing Two-Dimensional Unstable Manifolds of Maps

We present an algorithm for computing the global two-dimensional unstable manifold of a hyperbolic fixed point or a normally hyperbolic invariant circle of a three-dimensional map. The global stable manifold can be obtained by considering the inverse map. Our algorithm computes intersections of the unstable manifold with a finite number of leaves of a chosen linear foliation. In this way, we obtain a growing piece of the unstable manifold represented by a mesh of prescribed quality. The performance of the algorithm is demonstrated with several examples.