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Breaking symmetries of the reservoir equations in echo state networks

herteux, Joschka und Räth, Christoph (2020) Breaking symmetries of the reservoir equations in echo state networks. Chaos, 30 (12), Seite 123142. American Institute of Physics (AIP). doi: 10.1063/5.0028993. ISSN 1054-1500.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
4MB

Offizielle URL: https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0028993

Kurzfassung

Reservoir computing has repeatedly been shown to be extremely successful in the prediction of nonlinear time-series. However, there is no complete understanding of the proper design of a reservoir yet. We find that the simplest popular setup has a harmful symmetry, which leads to the prediction of what we call mirror-attractor. We prove this analytically. Similar problems can arise in a general context, and we use them to explain the success or failure of some designs. The symmetry is a direct consequence of the hyperbolic tangent activation function. Furthermore, four ways to break the symmetry are compared numerically: A bias in the output, a shift in the input, a quadratic term in the readout, and a mixture of even and odd activation functions. First, we test their susceptibility to the mirror-attractor. Second, we evaluate their performance on the task of predicting Lorenz data with the mean shifted to zero. The short-time prediction is measured with the forecast horizon while the largest Lyapunov exponent and the correlation dimension are used to represent the climate. Finally, the same analysis is repeated on a combined dataset of the Lorenz attractor and the Halvorsen attractor, which we designed to reveal potential problems with symmetry. We find that all methods except the output bias are able to fully break the symmetry with input shift and quadratic readout performing the best overall.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/139952/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Breaking symmetries of the reservoir equations in echo state networks
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
herteux, Joschkajoschka.herteux (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Räth, ChristophChristoph.Raeth (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:Dezember 2020
Erschienen in:Chaos
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:30
DOI:10.1063/5.0028993
Seitenbereich:Seite 123142
Verlag:American Institute of Physics (AIP)
ISSN:1054-1500
Status:veröffentlicht
Stichwörter:artificial intelligence, machine learning, reservoir computing, prediction, time series, chaotic systems, symmetries
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Forschung unter Weltraumbedingungen
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R FR - Forschung unter Weltraumbedingungen
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Komplexe Plasmen / Datenanalyse (alt)
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Materialphysik im Weltraum > Gruppe Komplexe Plasmen
Hinterlegt von: Räth, Christoph
Hinterlegt am:08 Jan 2021 12:11
Letzte Änderung:24 Okt 2023 11:24

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