<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Photonics</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Photonics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Photonics</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2673-6853</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">1444993</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fphot.2024.1444993</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Photonics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Identification of moment equations via data-driven approaches in nonlinear Schr&#xf6;dinger models</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Yang et al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3389/fphot.2024.1444993">10.3389/fphot.2024.1444993</ext-link>
</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>Su</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2756881/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/formal-analysis/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/investigation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/methodology/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/software/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>Shaoxuan</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2762228/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/formal-analysis/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/investigation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/methodology/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/software/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>Wei</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2604170/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/conceptualization/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/funding-acquisition/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/methodology/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Kevrekidis</surname>
<given-names>P. G.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1512119/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/conceptualization/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/funding-acquisition/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/methodology/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/supervision/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<sup>1</sup>
<institution>Department of Mathematics and Statistics</institution>, <institution>University of Massachusetts Amherst</institution>, <addr-line>Amherst</addr-line>, <addr-line>MA</addr-line>, <country>United States</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>School of Mathematics</institution>, <institution>Georgia Institute of Technology</institution>, <addr-line>Atlanta</addr-line>, <addr-line>GA</addr-line>, <country>United States</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/655212/overview">Georgios D. Barmparis</ext-link>, Foundation for Research and Technology Hellas, Greece</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1666900/overview">Lifu Zhang</ext-link>, Shenzhen University, China</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/865501/overview">Natanael Karjanto</ext-link>, Sungkyunkwan University, Republic of Korea</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Su Yang, <email>suyang@umass.edu</email>
</corresp>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>30</day>
<month>10</month>
<year>2024</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2024</year>
</pub-date>
<volume>5</volume>
<elocation-id>1444993</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>06</day>
<month>06</month>
<year>2024</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>30</day>
<month>09</month>
<year>2024</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2024 Yang, Chen, Zhu and Kevrekidis.</copyright-statement>
<copyright-year>2024</copyright-year>
<copyright-holder>Yang, Chen, Zhu and Kevrekidis</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<sec>
<title>Introduction</title>
<p>The moment quantities associated with the nonlinear Schr&#xf6;dinger equation offer important insights into the evolution dynamics of such dispersive wave partial differential equation (PDE) models. The effective dynamics of the moment quantities are amenable to both analytical and numerical treatments.</p>
</sec>
<sec>
<title>Methods</title>
<p>In this paper, we present a data-driven approach associated with the &#x201c;Sparse Identification of Nonlinear Dynamics&#x201d; (SINDy) to capture the evolution behaviors of such moment quantities numerically.</p>
</sec>
<sec>
<title>Results and Discussion</title>
<p>Our method is applied first to some well-known closed systems of ordinary differential equations (ODEs) which describe the evolution dynamics of relevant moment quantities. Our examples are, progressively, of increasing complexity and our findings explore different choices within the SINDy library. We also consider the potential discovery of coordinate transformations that lead to moment system closure. Finally, we extend considerations to settings where a closed analytical form of the moment dynamics is not available.</p>
</sec>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>NLS models</kwd>
<kwd>SINDy</kwd>
<kwd>data-driven methods</kwd>
<kwd>moment equations</kwd>
<kwd>reduced-order modeling</kwd>
</kwd-group>
<contract-num rid="cn001">PHY-2110030 DMS-2204702 DMS-2052525 DMS-2140982 DMS2244976</contract-num>
<contract-sponsor id="cn001">National Science Foundation<named-content content-type="fundref-id">10.13039/100000001</named-content>
</contract-sponsor>
<custom-meta-wrap>
<custom-meta>
<meta-name>section-at-acceptance</meta-name>
<meta-value>Neuromorphic Photonics and Photonic Computing</meta-value>
</custom-meta>
</custom-meta-wrap>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction and motivation</title>
<p>The study of Nonlinear Schr&#xf6;dinger (NLS) type models (<xref ref-type="bibr" rid="B43">Sulem and Sulem, 1999</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B3">Ablowitz et al., 2004</xref>) is of wide interest and significance in a diverse array of physical modeling settings (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Ablowitz and Clarkson, 1991</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B1">Ablowitz, 2011</xref>). Relevant areas of application extend from atomic physics (<xref ref-type="bibr" rid="B38">Pitaevskii and Stringari, 2003</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B37">Pethick and Smith, 2002</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B21">Kevrekidis et al., 2015</xref>) to fluid mechanical and hydrodynamic (notably ones stemming from deep water waves) problems (<xref ref-type="bibr" rid="B1">Ablowitz, 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B17">Infeld and Rowlands, 2000</xref>) and from plasma physics (<xref ref-type="bibr" rid="B24">Kono and Skori&#x107;, 2010</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B17">Infeld and Rowlands, 2000</xref>) to nonlinear optics (<xref ref-type="bibr" rid="B23">Kivshar and Agrawal, 2003</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B16">Hasegawa and Kodama, 1995</xref>). Indeed, the relevant model is a prototypical envelope wave equation that describes the dynamics of dispersive waves. Specifically, in the context of nonlinear optics, it describes the envelope of the electric field of light in optical fibers (as well as waveguides), with the relevant measurable quantity being the light intensity <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> proportional to the square modulus of the complex field <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Generalizations of relevant optical applications, involving multiple polarizations or frequencies of light have also been widely considered, in both spatially homogeneous and spatially heterogeneous media (<xref ref-type="bibr" rid="B23">Kivshar and Agrawal, 2003</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B16">Hasegawa and Kodama, 1995</xref>).</p>
<p>It is worthwhile to note that even to this day, the subject of NLS-type models continues to fascinate researchers and to constitute a fertile platform for a wide range of physical, mathematical and computational works; see, e.g., <xref ref-type="bibr" rid="B18">Karjanto (2024)</xref> for a recent review. At the same time, over the past few years, there has been an explosion of interest in data-driven methods, whereby machine-learning techniques are brought to bear towards understanding, codifying and deducing the fundamental quantities of physical systems. Arguably, a turning point in this effort was the development of the so-called physics-informed neural networks (PINNs) by <xref ref-type="bibr" rid="B39">Raissi et al. (2019)</xref> and of similar methodologies such as the extension of PINNs via the so-called DeepXDE <xref ref-type="bibr" rid="B31">Lu et al. (2021)</xref>, as well as the parallel track of sparse identification of nonlinear systems, so-called SINDy by <xref ref-type="bibr" rid="B7">Brunton et al. (2016)</xref>, which is central to the considerations herein. Additional methods include, but are not limited to, the sparse optimization of <xref ref-type="bibr" rid="B40">Schaeffer (2017)</xref>, meta-learning of <xref ref-type="bibr" rid="B14">Feliu-Faba et al. (2020)</xref>, as well as the neural operators of <xref ref-type="bibr" rid="B26">Li et al. (2021)</xref>. A review of relevant model identification techniques can be found, e.g., in <xref ref-type="bibr" rid="B19">Karniadakis et al. (2021)</xref>. Notice that a parallel track to the above one seeks not to discover the models, but rather key features thereof such as conserved quantities (<xref ref-type="bibr" rid="B29">Liu and Tegmark, 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B30">2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B28">Liu et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B47">Zhu et al., 2023</xref>) and its potential integrability (<xref ref-type="bibr" rid="B25">Krippendorf et al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B11">De Koster and Wahls, 2024</xref>).</p>
<p>In the present setting, we seek to combine this important class of dispersive wave models within optical (and other physical) applications with some of the above machine-learning toolboxes. Our aim is not to discover the full PDE, or its conservation laws/integrability as in some of the above works. Rather, our aim is to leverage the theoretical understanding that exists at the level of reduced-order ODEs in the form of moment methods (<xref ref-type="bibr" rid="B36">P&#xe9;rez-Garc&#xed;a et al., 2007</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B15">Garc&#xed;a-Ripoll and P&#xe9;rez-Garc&#xed;a, 1999</xref>). Indeed, it is well-known from these works that upon defining suitable moment quantities, one can obtain closed form ODE dynamical systems of a few degrees-of-freedom, often just two (lending themselves to dynamical systems analysis) or sometimes involving a few more but still offering valuable low-dimensional analytical insights on the evolution of the center of mass, variance, kurtosis etc. of the relevant distribution. It is those effective ODEs (that stem from the original PDE via the moments) that we aim to retrieve using the data-driven approach developed herein. It is also relevant to mention in passing here that the moment methods were also used successfully to other models such as Fisher-KPP equations, considering also applications to the dynamics, e.g., of brain tumors (<xref ref-type="bibr" rid="B6">Belmonte-Beitia et al., 2014</xref>). Our approach and presentation will be structured hereafter as follows. In <xref ref-type="sec" rid="s2">section 2</xref>, we will present a &#x201c;refresher&#x201d; from a theoretical perspective of the method of moments, essentially revisiting some basic results from the work of <xref ref-type="bibr" rid="B36">P&#xe9;rez-Garc&#xed;a et al. (2007)</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B15">Garc&#xed;a-Ripoll and P&#xe9;rez-Garc&#xed;a (1999)</xref>. Then, in <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref>, we will give a brief overview of SINDy type methods and the types of choices (such as, e.g., of model libraries) that they necessitate. Additionally, we will introduce a data-driven approach for learning coordinate transformations to close moment systems when the initially chosen moments are not closed. Then, in <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref>, we present a palette of numerical results and their effective moment identification. Our narrative contains a gradation of examples from simpler ones (where, e.g., an analytical low-dimensional closure of moments may exist) to gradually more complex ones, where a closure may exist after a coordinate transformation and eventually to cases where a closed system does not exist at the moment level to the best of our knowledge. Our aim is to showcase not only the successes, but also the challenges that the method may encounter in cases where we do not know of a closure or when we may not rightfully choose the library of functions (even when a closure may exist). We hope that this will provide a more informed/balanced viewpoint to the reader about what these methods may (and what they may not) be expected to provide.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Moment equation theoretical background</title>
<p>To contextualize our perspective, we will focus on the following specific case of the (1 &#x2b; 1)-dimensional nonlinear Schr&#xf6;dinger (NLS) equation with a harmonic potential, <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B21">Kevrekidis et al., 2015</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B23">Kivshar and Agrawal, 2003</xref>),<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the nonlinearity. This model is not only of relevance to optics (where the harmonic potential represents the heterogeneous profile of the refractive index) (<xref ref-type="bibr" rid="B23">Kivshar and Agrawal, 2003</xref>), but also to atomic Bose-Einstein condensates, where this parabolic confinement is a typical byproduct of magnetic traps (<xref ref-type="bibr" rid="B38">Pitaevskii and Stringari, 2003</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B21">Kevrekidis et al., 2015</xref>). We will consider the initial value problem of <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref> with localized and sufficiently regular initial conditions (ICs) <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<sec id="s2-1">
<title>2.1 The method of moments</title>
<p>Instead of fully characterizing the solution of the Cauchy problem of <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref>, the <italic>method of moments</italic> (<xref ref-type="bibr" rid="B36">P&#xe9;rez-Garc&#xed;a et al., 2007</xref>), seeks to provide qualitative description of the solution behavior by studying the evolution of several integral quantities, i.e., the moments, of the solution <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This approach enables a reduced-order description of the NLS equation by transforming it into a system of (potentially) closed ordinary differential equations (ODEs). More specifically, according to <xref ref-type="bibr" rid="B36">P&#xe9;rez-Garc&#xed;a et al. (2007)</xref>, we define for <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0,1,2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> the <italic>moment</italic> quantities of solution <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as follows,<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the complex conjugate of <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a function such that <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Moments <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Equations 2</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e5">5</xref> of the solution <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> have intuitive physical meanings; for example, the first moment <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is associated with the center of mass as described by the (unnormalized) probability density <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Higher moments <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are also associated with this density distribution (i.e., its variance etc.). The <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m23">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> quantities are the respective ones associated with the momentum density (which is the quantity in the corresponding parenthesis in the right hand side of the <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> definition. <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> stems from (thinking quantum-mechanically) the kinetic part of the Schr&#xf6;dinger problem energy, while <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m26">
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the nonlinear part of the corresponding energy. We assume that the IC <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is regular enough to ensure that all moments are well-defined for <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>The method of moments aims to extract qualitative information about the solution <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the PDE <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref> by deriving a <italic>closed</italic> set of evolution ODEs for the moments of <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Depending on the nonlinearity <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, these ODEs can sometimes be determined <italic>analytically</italic> as is shown in the work of <xref ref-type="bibr" rid="B36">P&#xe9;rez-Garc&#xed;a et al. (2007)</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B15">Garc&#xed;a-Ripoll and P&#xe9;rez-Garc&#xed;a (1999)</xref>. Below, we provide a few examples.</p>
<p>
<statement content-type="example" id="Example_1">
<label>Example 1</label>
<p>The moments <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m32">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> satisfy<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>This indicates that the evolution of the center of mass <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> behaves as a harmonic oscillator, independent of the nonlinearity <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. More generally, for a parabolic confinement of frequency <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, this would be reflected in the associated frequency of moment oscillations; this is the so-called dipolar motion (<xref ref-type="bibr" rid="B38">Pitaevskii and Stringari, 2003</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B21">Kevrekidis et al., 2015</xref>).</p>
</statement>
</p>
<p>
<statement content-type="example" id="Example_2">
<label>Example 2</label>
<p>If <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, i.e., for the linear case of <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref>, the set of moments <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are closed under<disp-formula id="equ1">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
</statement>
</p>
<p>
<statement content-type="example" id="Example_3">
<label>Example 3</label>
<p>Assume the nonlinearity <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is time-independent and given by <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a constant. Although the evolution of the moments <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is not closed, it becomes closed under the coordinate transformation <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, i.e.,<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m49">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>
</p>
</statement>
</p>
<p>While the examples and conditions under which the method of moments leads to closed equations are well-known, deriving such analytical closure systems requires knowledge of the underlying PDE system, <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref> and detailed calculations therewith. This work explores <italic>data-driven</italic> methods for obtaining analytical or approximate moment closure systems based on empirical <italic>observations</italic> or <italic>simulations</italic> of the NLS equation, rather than relying solely on such analytical understanding and derivations. Importantly, the reconstruction of these ODE models can, in principle, take place even for settings where the underlying PDE model is unavailable/has not been specified. Given &#x201c;experimental&#x201d; data for the field, one may aspire to utilize the toolboxes presented below in order to obtain these effective, reduced dynamical equations.</p>
<p>For systems with existing analytical closures of the moment equations, such as <xref ref-type="statement" rid="Example_1 Example_2 Example_3">Examples 1&#x2013;3</xref>, our method seeks to rediscover the moment evolution equations and potentially the necessary coordinate transformations, such as <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m50">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="statement" rid="Example_3">Example 3</xref>, in a model-agnostic and data-driven manner. For systems lacking analytical closed moment equations, we seek to derive approximate moment closure equations, providing a principled and reduced-order description of the original PDE, capable of predicting the future evolution of the system. The relevant details will be explained in the following section.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Data-driven methods</title>
<p>We present two computational methodologies for finding analytical or approximate closures for moment equations.</p>
<sec id="s3-1">
<title>3.1 Sparse Identification of Nonlinear Dynamics</title>
<p>Our first method leverages Sparse Identification of Nonlinear Dynamics (SINDy) by <xref ref-type="bibr" rid="B7">Brunton et al. (2016)</xref>, a data-driven approach for discovering governing ODEs from simulated or observational data. Consider a nonlinear ODE system of the form:<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">f</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the state evolution over time, governed by the dynamic constraint <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m53">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">f</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. SINDy aims to identify the unknown dynamics, <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from a time series of <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>The key assumption is that <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> has a &#x201c;simple&#x201d; form and can be expressed or approximated as a linear combination of only a few terms from a suitably chosen library, <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For example, a monomial library of degree up to two, <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, is:<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="align" columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x23df;</mml:mo>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x23df;</mml:mo>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>with <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m60">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In particular, e.g., the right-hand sides of <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Equations 6</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">7</xref> can all be written as sparse linear combinations of terms from <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Given a dictionary <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m62">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m63">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> elements&#x2014;<inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m64">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is typically larger than <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m65">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2014;the sparsity assumption implies the existence of a sparse matrix <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m66">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> such that<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m67">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">f</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>where each sparse column <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m68">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> indicates which nonlinear functions among the library <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m69">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are used to parsimoniously represent <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m70">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>To determine this sparse <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, SINDy employs sparse regressions on the data. Specifically, given a time series <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m72">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2282;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> of the state <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at times <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2014;<inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m75">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is generally much larger than <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m76">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the library size&#x2014;one can assemble the <italic>state matrix</italic> <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the <italic>derivative matrix</italic> <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>:<disp-formula id="equ2">
<mml:math id="m79">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22f1;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="equ3">
<mml:math id="m80">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22f1;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m81">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be estimated by, e.g., finite differences on <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m82">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Define the <italic>library matrix</italic> <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m83">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as<disp-formula id="equ4">
<mml:math id="m84">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22f1;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>Evaluating <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Equations 8</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">9</xref> at all times <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> yields<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m86">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Sparse regression techniques, such as LASSO (<xref ref-type="bibr" rid="B44">Tibshirani, 1996</xref>) or sequential thresholded least-squares (<xref ref-type="bibr" rid="B7">Brunton et al., 2016</xref>), can then solve the overdetermined system (<xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Equation 11</xref>) for the sparse <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This provides an approximation to the governing equation as in <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Equation 10</xref>.</p>
<p>While SINDy can be directly applied to <xref ref-type="statement" rid="Example_1 Example_2 Example_3">Examples 1&#x2013;3</xref> to discover closed moment systems based on simulated PDE data (<xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref>), our specific interest lies in the following:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>1. Given time series data of moments with a known closed moment system (e.g., Examples (1) and (2)), can we robustly discover the governing dynamics using a correct but potentially oversized dictionary <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m88">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, such as polynomials up to a high degree?</p>
</list-item>
<list-item>
<p>2. If a system is not closed for a chosen set of moments, but closure exists after a proper coordinate transformation (e.g., selecting <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m89">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in Ex. 3), what insights can we gain by directly applying SINDy to time series data from this &#x201c;incorrect&#x201d; set of moments?</p>
</list-item>
<list-item>
<p>3. For more general systems where analytical closure does not exist, can data-driven methods provide a &#x201c;good enough&#x201d; numerical approximation to predict the future evolution of the moment system, effectively serving as a principled reduced-order description of the underlying PDE?</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>These questions will be addressed in <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref>. Of particular interest is the second point, where we demonstrate that, in certain cases, we can gain insight into the appropriate transformation to close the system, even if the moment system is not closed under the originally selected variables. In the following section, we discuss a more principled strategy to discover such transformations in a data-driven fashion.</p>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>3.2 Data-driven discovery of coordinate transformations for moment system closure</title>
<p>To illustrate the idea, we focus on <xref ref-type="statement" rid="Example_3">Example 3</xref>, where the initially selected moments are <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m90">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and an analytical closure exists <italic>only after</italic> a coordinate transformation, <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m91">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>,<disp-formula id="equ5">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>
<statement content-type="remark" id="Remark_1">
<label>Remark 1</label>
<p>Note that the transformation matrix <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m93">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is not unique. For any full-rank matrix <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the moment system remains closed under the transformation <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m95">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m96">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</statement>
</p>
<p>Assume we aim to discover <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m97">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> purely from simulated PDE data. We propose the following strategy: Let <inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m98">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> be the state matrix for the original coordinate <inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m99">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, sampled at <inline-formula id="inf84">
<mml:math id="m100">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as defined by <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Equation 8</xref>. Let <inline-formula id="inf85">
<mml:math id="m101">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> be the new coordinate, and the associated new state matrix <inline-formula id="inf86">
<mml:math id="m102">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> becomes<disp-formula id="equ6">
<mml:math id="m103">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mtext>&#x2014;&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;&#x2014;</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mtext>&#x2014;&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;&#x2014;</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mtext>&#x2014;&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;&#x2014;</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mtext>&#x2014;&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;&#x2014;</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mtext>&#x2014;&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;&#x2014;</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mtext>&#x2014;&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;&#x2014;</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>We can then solve for <inline-formula id="inf87">
<mml:math id="m104">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> through the following optimization.<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m105">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>min</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>min</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x2016;" close="&#x2016;">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="equ7">
<mml:math id="m106">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;s.t.&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m107">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the derivative matrix, <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Equation 8</xref>, associated with the new state matrix <inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m108">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf90">
<mml:math id="m109">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m110">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the Frobenius norm and <inline-formula id="inf92">
<mml:math id="m111">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> norm, respectively, defined for any <inline-formula id="inf93">
<mml:math id="m112">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> matrix <inline-formula id="inf94">
<mml:math id="m113">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as follows:<disp-formula id="equ8">
<mml:math id="m114">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>max</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>In addition, <inline-formula id="inf95">
<mml:math id="m115">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a non-negative weight, and <inline-formula id="inf96">
<mml:math id="m116">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the library matrix, <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Equation 8</xref>, of a chosen library <inline-formula id="inf97">
<mml:math id="m117">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> on the new coordinate <inline-formula id="inf98">
<mml:math id="m118">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>The idea behind <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Equation 12</xref> is very simple: we search for the transformation matrix <inline-formula id="inf99">
<mml:math id="m119">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> such that the dynamics under the new coordinate <inline-formula id="inf100">
<mml:math id="m120">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be parsimoniously represented from the library <inline-formula id="inf101">
<mml:math id="m121">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The weight <inline-formula id="inf102">
<mml:math id="m122">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> controls the sparsity-promoting <inline-formula id="inf103">
<mml:math id="m123">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-regularization, and the constraint <inline-formula id="inf104">
<mml:math id="m124">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> prevents the trivial solution <inline-formula id="inf105">
<mml:math id="m125">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The set of <inline-formula id="inf106">
<mml:math id="m126">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> satisfying the constraint <inline-formula id="inf107">
<mml:math id="m127">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is called the <italic>Stiefel manifold</italic> (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Edelman et al., 1998</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B4">Absil et al., 2008</xref>).</p>
<p>
<statement content-type="remark" id="Remark_2">
<label>Remark 2</label>
<p>When the weight <inline-formula id="inf108">
<mml:math id="m128">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, even with the Stiefel manifold constraint <inline-formula id="inf109">
<mml:math id="m129">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the solution to <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Equation 12</xref> is not unique. Just like <xref ref-type="statement" rid="Remark_1">Remark 1</xref>, if <inline-formula id="inf110">
<mml:math id="m130">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a solution, then for any orthogonal matrix <inline-formula id="inf111">
<mml:math id="m131">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">O</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the pair <inline-formula id="inf112">
<mml:math id="m132">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is also a solution, where<disp-formula id="equ9">
<mml:math id="m133">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">O</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
</statement>
</p>
<p>To solve <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Equation 12</xref>, we use alternating optimization, iteratively optimizing <inline-formula id="inf113">
<mml:math id="m134">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf114">
<mml:math id="m135">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> while keeping the other fixed. Specifically, when <inline-formula id="inf115">
<mml:math id="m136">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is fixed, solving for <inline-formula id="inf116">
<mml:math id="m137">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> reduces to a LASSO problem. Conversely, when <inline-formula id="inf117">
<mml:math id="m138">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is fixed, the problem becomes a Stiefel manifold optimization with a smooth objective function, which can be efficiently solved using methods such as those presented in (<xref ref-type="bibr" rid="B35">Oviedo and Dalmau, 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B45">Xiao et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B27">Liu et al., 2021</xref>). To ensure the algorithm remains unbiased, we implement an annealing strategy for the hyperparameter <inline-formula id="inf118">
<mml:math id="m139">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Initially, <inline-formula id="inf119">
<mml:math id="m140">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is kept constant for <monospace>Iter_scheduled</monospace> iterations. Following this period, <inline-formula id="inf120">
<mml:math id="m141">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is reduced by half every <inline-formula id="inf121">
<mml:math id="m142">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> iterations. Refer to <xref ref-type="statement" rid="Algorithm_1">Algorithm 1</xref> for the pseudocode to solve problem <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Equation 12</xref>.</p>
<p>
<statement content-type="algorithm" id="Algorithm_1">
<label>Algorithm 1</label>
<p>Data-driven discovery of coordinate transformation.<inline-graphic xlink:href="fphot-05-1444993-fx1.tif"/>
</p>
</statement>
</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 Numerical results</title>
<p>In this section, we present numerical results on data-driven closure of moment systems (<xref ref-type="statement" rid="Example_1 Example_2 Example_3">Examples 1&#x2013;3</xref>) using the methodologies described in <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref>. To obtain the data, we first numerically solve the PDE <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref> with periodic boundary conditions and various ICs using an extended 4th-order Runge-Kutta method, the exponential integrator (ETDRK4) (see (<xref ref-type="bibr" rid="B20">Kassam and Trefethen, 2005</xref>) for a detailed explanation). The time series of the moments is subsequently extracted by numerical spatial integration according to <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Equations 2</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e5">5</xref>, with spatial derivatives computed using pseudo-spectral Fourier methods. We note once again that should the numerical data be replaced by &#x201c;experimental&#x201d; ones from a given physical process, the procedure can still be applied. Unless otherwise noted, the time series are evaluated at <inline-formula id="inf139">
<mml:math id="m160">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>16,000</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> uniformly spaced times <inline-formula id="inf140">
<mml:math id="m161">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf141">
<mml:math id="m162">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf142">
<mml:math id="m163">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.0025</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<sec id="s4-1">
<title>4.1 Examples with analytical moment closure</title>
<p>We first examine Examples (1) and (2), where analytical (linear) closure exists for the chosen moments <inline-formula id="inf143">
<mml:math id="m164">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="statement" rid="Example_1">Example 1</xref>) and <inline-formula id="inf144">
<mml:math id="m165">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="statement" rid="Example_2">Example 2</xref>).</p>
</sec>
<sec id="s4-2">
<title>4.2 Example 1</title>
<p>Let the selected moments be <inline-formula id="inf145">
<mml:math id="m166">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We construct the data matrices <inline-formula id="inf146">
<mml:math id="m167">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf147">
<mml:math id="m168">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from numerically solving the PDE <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref> with the ICs:<disp-formula id="equ10">
<mml:math id="m169">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="equ11">
<mml:math id="m170">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>We apply SINDy to this system using monomial libraries of degree up to <inline-formula id="inf148">
<mml:math id="m171">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf149">
<mml:math id="m172">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Equation 9</xref>. We find that as long as <inline-formula id="inf150">
<mml:math id="m173">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, SINDy applied to either data matrix <inline-formula id="inf151">
<mml:math id="m174">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf152">
<mml:math id="m175">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> discovers the dynamics nearly perfectly. However, as we gradually expand the library <inline-formula id="inf153">
<mml:math id="m176">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by increasing <inline-formula id="inf154">
<mml:math id="m177">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, SINDy applied to either <inline-formula id="inf155">
<mml:math id="m178">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf156">
<mml:math id="m179">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <italic>individually</italic> typically produces erroneous dynamics, regardless of how carefully the sparsity-promoting parameter is tuned. A typical negative result from SINDy applied to <inline-formula id="inf157">
<mml:math id="m180">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with <inline-formula id="inf158">
<mml:math id="m181">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is presented in the <xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Material</xref>. This outcome is expected, as increasing the library size makes the problem more ill-posed, leading SINDy to overfit the data and produce incorrect dynamics.</p>
<p>To address the overfitting issue, we can enlarge the dataset by concatenating the data matrices <inline-formula id="inf159">
<mml:math id="m182">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf160">
<mml:math id="m183">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> vertically, forming <inline-formula id="inf161">
<mml:math id="m184">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. When applying SINDy to this new data matrix <inline-formula id="inf162">
<mml:math id="m185">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (considering boundary issues when taking finite differences), SINDy can now discover the correct dynamics that match <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Equation 6</xref>, even with a much larger library <inline-formula id="inf163">
<mml:math id="m186">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf164">
<mml:math id="m187">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> up to 16. For example, when <inline-formula id="inf165">
<mml:math id="m188">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>16</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the output ODE from SINDy reads<disp-formula id="equ12">
<mml:math id="m189">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.000</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1.000</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>where the coefficients are rounded to three decimal places. This suggests the potential usefulness of concatenating different time series, especially in cases where one may not be familiar with the order of the relevant closure.</p>
</sec>
<sec id="s4-3">
<title>4.3 Example 2</title>
<p>For <xref ref-type="statement" rid="Example_2">Example 2</xref> with the selected moments <inline-formula id="inf166">
<mml:math id="m190">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, our findings are similar to those in <xref ref-type="sec" rid="s4-2">Section 4.2</xref>. When applying SINDy to a data matrix from a single IC, SINDy discovers erroneous dynamics for the quadratic dictionary <inline-formula id="inf167">
<mml:math id="m191">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. However, using larger data matrices from multiple ICs, SINDy can once again accurately identify the correct dynamics even with the larger dictionaries. Representative negative and positive results are presented in the <xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Material</xref>, similar to the previous example.</p>
</sec>
<sec id="s4-4">
<title>4.4 Examples where closure exists after coordinate transformations</title>
<p>We now turn to <xref ref-type="statement" rid="Example_3">Example 3</xref>, where the selected moments are <inline-formula id="inf168">
<mml:math id="m192">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the moment system only closes after a coordinate transformation. Specifically, we consider the nonlinearity <inline-formula id="inf169">
<mml:math id="m193">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref>, which satisfies the condition in <xref ref-type="statement" rid="Example_3">Example 3</xref>. We collect the moment time series data by numerically solving the PDE with the following four distinct ICs, <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Equations 13</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e16">16</xref>:<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m194">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m195">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.88</mml:mn>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m196">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.88</mml:mn>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m197">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.88</mml:mn>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>We consider the following questions:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>
<inline-formula id="inf170">
<mml:math id="m198">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2022;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> What insights can we gain by directly applying SINDy to this system with the selected moments <inline-formula id="inf171">
<mml:math id="m199">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where a closure does not exist?</p>
</list-item>
<list-item>
<p>
<inline-formula id="inf172">
<mml:math id="m200">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2022;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> Can the method described in <xref ref-type="sec" rid="s3-2">Section 3.2</xref> correctly identify the coordinate transformation that closes the moment system?</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>We note that <italic>normalized</italic> moment time series are used as input for SINDy, as a way of incorporating feature scaling. This is an important aspect that ensures that all the relevant quantities are considered on &#x201c;equal footing,&#x201d; when the sparse regression step takes place.</p>
</sec>
<sec id="s4-5">
<title>4.5 SINDy with linear library <inline-formula id="inf173">
<mml:math id="m201">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</title>
<p>We begin by applying SINDy with a linear library <inline-formula id="inf174">
<mml:math id="m202">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to the moment time series data from IC <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Equation 14</xref>. The resulting equations are:<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m203">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.000</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.000</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>4.000</mml:mn>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>3.998</mml:mn>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.569</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.069</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The coefficients are rounded to three decimal places. The first four panels of <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref> compare the &#x201c;ground-truth&#x201d; time-evolution data of <inline-formula id="inf175">
<mml:math id="m204">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> obtained from PDE integration (red curves) and the definition of these quantities through <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Equations 2</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e5">5</xref> with those from integrating the SINDy-predicted ODEs <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Equation 17</xref> (blue curves). While the SINDy-predicted time evolution of <inline-formula id="inf176">
<mml:math id="m205">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> closely matches the ground truth, there is a <italic>significant discrepancy</italic> for the moments <inline-formula id="inf177">
<mml:math id="m206">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>. Accordingly, the SINDy-predicted dynamics is not accurate for the original coordinates <inline-formula id="inf178">
<mml:math id="m207">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>Comparison of the ground-truth and SINDy-predicted time evolutions of <inline-formula id="inf179">
<mml:math id="m208">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. SINDy is trained only on the selected moments <inline-formula id="inf180">
<mml:math id="m209">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where a closure does not exist, using a linear library <inline-formula id="inf181">
<mml:math id="m210">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Interestingly, SINDy can &#x201c;afford&#x201d; to sacrifice accurate prediction for <inline-formula id="inf182">
<mml:math id="m211">
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf183">
<mml:math id="m212">
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <italic>individually</italic>, provided that it captures the correct dynamics for <inline-formula id="inf184">
<mml:math id="m213">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, suggesting in this way the proper coordinate transformation under which a closure does exist. For the physical meanings of the moments in this figure, please refer to <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Equations 2</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e5">5</xref> and the paragraph thereafter.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphot-05-1444993-g001.tif"/>
</fig>
<p>Nevertheless, interestingly, if we add the ODE for <inline-formula id="inf185">
<mml:math id="m214">
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with that for <inline-formula id="inf186">
<mml:math id="m215">
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Equation 17</xref>, which corresponds to the <italic>correct</italic> coordinate transformation for closure, we obtain:<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m216">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.000</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.000</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>4.000</mml:mn>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>3.998</mml:mn>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.500</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>
<xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Equation 18</xref> closely matches the ground-truth moment system <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Equation 7</xref>. The last panel of <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref> shows that the predicted time evolution of <inline-formula id="inf187">
<mml:math id="m217">
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> aligns perfectly with the ground truth, even though SINDy does not accurately recover those of <inline-formula id="inf188">
<mml:math id="m218">
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf189">
<mml:math id="m219">
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <italic>individually</italic>. This finding is intriguing because, even when SINDy is applied to the original coordinates <inline-formula id="inf190">
<mml:math id="m220">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> without closure, it &#x201c;strategically chooses&#x201d; to sacrifice accuracy for <inline-formula id="inf191">
<mml:math id="m221">
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf192">
<mml:math id="m222">
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> but indirectly captures the correct dynamics when considering the proper coordinate transformation <inline-formula id="inf193">
<mml:math id="m223">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Moreover, a similar pattern is consistently observed when applying SINDy to the moments simulated from the other three ICs. The results are shown in the <xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Material</xref>. We have also provided an analogous example for 2D NLS equations. For details, please refer to <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref> of the <xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Material</xref>. Indeed, this clearly illustrates that the methodology presented herein is not in any fundamental way limited to 1D NLS models, but can be extended to higher dimensional ones, as may be deemed desirable.</p>
</sec>
<sec id="s4-6">
<title>4.6 SINDy with quadratic library <inline-formula id="inf194">
<mml:math id="m224">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</title>
<p>Next, we investigate the performance of SINDy with an expanded quadratic library <inline-formula id="inf195">
<mml:math id="m225">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> applied to the moment time series with the same IC <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Equation 14</xref>. The predicted ODEs now become:<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m226">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.000</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.000</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>4.000</mml:mn>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>3.998</mml:mn>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.174</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.003</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.083</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.002</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>0.082</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>As before, if we add the predicted dynamics of <inline-formula id="inf196">
<mml:math id="m227">
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf197">
<mml:math id="m228">
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">Equation 19</xref>, we obtain:<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m229">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.000</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.000</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>4.000</mml:mn>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>3.998</mml:mn>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.174</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.003</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.002</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.001</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Unlike the previous case with <inline-formula id="inf198">
<mml:math id="m230">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the SINDy-predicted governing <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">Equation 20</xref> using the expanded library <inline-formula id="inf199">
<mml:math id="m231">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> after the (theoretically motivated) coordinate transformation <inline-formula id="inf200">
<mml:math id="m232">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> still fails to match the ground truth ODE <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Equation 7</xref> and remains unclosed (i.e., the third equation in <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">Equation 20</xref> cannot be written using only <inline-formula id="inf201">
<mml:math id="m233">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf202">
<mml:math id="m234">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf203">
<mml:math id="m235">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). Specifically, the coefficient of <inline-formula id="inf204">
<mml:math id="m236">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">Equation 20</xref> is <inline-formula id="inf205">
<mml:math id="m237">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.174</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, deviating substantially from that of <inline-formula id="inf206">
<mml:math id="m238">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the ground truth. Although the coefficients for the additional terms (<inline-formula id="inf207">
<mml:math id="m239">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf208">
<mml:math id="m240">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf209">
<mml:math id="m241">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) are relatively small, their presence hinders the accurate recovery of the correct coefficient for <inline-formula id="inf210">
<mml:math id="m242">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref> compares the ground-truth time evolutions of <inline-formula id="inf211">
<mml:math id="m243">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> obtained from PDE integration with their SINDy-predicted dynamics after integrating <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">Equations 19</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">20</xref>. Similar to <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>, SINDy with the quadratic library <inline-formula id="inf212">
<mml:math id="m244">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> applied to the unclosed moments <inline-formula id="inf213">
<mml:math id="m245">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> sacrifices the exact recovery of the time evolution of <inline-formula id="inf214">
<mml:math id="m246">
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf215">
<mml:math id="m247">
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, but indirectly captures the correct time evolution of <inline-formula id="inf216">
<mml:math id="m248">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. However, unlike the linear library case in <xref ref-type="sec" rid="s4-5">Section 4.5</xref>, SINDy with the quadratic library can yield the correct <italic>time evolution</italic> of <inline-formula id="inf217">
<mml:math id="m249">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> but <italic>fails</italic> to uncover the correct <italic>governing equation</italic> for <inline-formula id="inf218">
<mml:math id="m250">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> [<xref ref-type="disp-formula" rid="e20">Equation 20</xref>] due to the expanded library size, leading to overfitting issues discussed above.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>Comparison of the ground-truth and SINDy-predicted time evolutions of <inline-formula id="inf219">
<mml:math id="m251">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. SINDy is trained only on the selected moments <inline-formula id="inf220">
<mml:math id="m252">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where a closure does not exist, using a quadratic library <inline-formula id="inf221">
<mml:math id="m253">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Similar to <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>, SINDy sacrifices accurate prediction for <inline-formula id="inf222">
<mml:math id="m254">
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf223">
<mml:math id="m255">
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <italic>individually</italic> but indirectly captures the correct time evolution of <inline-formula id="inf224">
<mml:math id="m256">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphot-05-1444993-g002.tif"/>
</fig>
<p>Here, we see a key complication within SINDy that has been also present in works such as (<xref ref-type="bibr" rid="B9">Champion et al., 2019</xref>) and especially (<xref ref-type="bibr" rid="B5">Bakarji et al., 2022</xref>), namely the methodology is likely to result in ODE models that are proximal to the theoretically expected ones, but not identical to them. This, in turn, may result in a nontrivial error outside of the training set. Especially when the library at hand is &#x201c;richer&#x201d; than the terms expected to be present, unfortunately, it does not generically seem that the reduced, theoretically expected model will be discovered. Rather, our results suggest that it is possible that the additional &#x201c;wealth&#x201d; of the libraries used can be leveraged to approximate the data via different (nonlinear) dependent variable combinations.</p>
<p>As an even more problematic example, applying SINDy with a quadratic library to the moment time series generated from another IC <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Equation 16</xref> results in a predicted ODE system that not only fails to match the ground truth, even after the theoretically suggested coordinate transformation <inline-formula id="inf225">
<mml:math id="m257">
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, but also causes the ODE system to blow up in finite time. For a detailed discussion, we refer the interested reader to the <xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Material</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s4-7">
<title>4.7 Stiefel optimization for discovering coordinate transformations</title>
<p>Next, we test the methodology from <xref ref-type="sec" rid="s3-2">Section 3.2</xref> to discover the coordinate transformation needed to close the moment system.</p>
<p>Case 1: <inline-formula id="inf226">
<mml:math id="m258">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We first consider the case where the hyperparameter <inline-formula id="inf227">
<mml:math id="m259">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Equation 12</xref> is set to <inline-formula id="inf228">
<mml:math id="m260">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, i.e., we do not promote sparsity in the matrix <inline-formula id="inf229">
<mml:math id="m261">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We use the linear library <inline-formula id="inf230">
<mml:math id="m262">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and set the maximum number of iterations to <inline-formula id="inf231">
<mml:math id="m263">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="monospace">m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="monospace">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="monospace">x</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="monospace">I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="monospace">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="monospace">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="monospace">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>150</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="statement" rid="Algorithm_1">Algorithm 1</xref>. The algorithm produces the following outputs<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m264">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.973</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.179</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.144</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.169</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.982</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.083</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.111</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.040</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.697</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.111</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.040</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.697</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.024</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1.076</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.005</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1.016</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.470</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.540</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.913</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>5.778</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.446</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The coefficients are rounded to three decimal places. On the other hand, the &#x201c;ground-truth&#x201d; coordinate transformation <inline-formula id="inf232">
<mml:math id="m265">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (after normalization to satisfy the Stiefel manifold constraint) and the corresponding dynamics <inline-formula id="inf233">
<mml:math id="m266">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> according to <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Equation 7</xref> are:<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m267">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.707</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.707</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.354</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>5.657</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>At first glance, the predicted solution <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">Equation 21</xref> appears different from the ground truth in <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">Equation 22</xref>. However, after a further change of coordinates using<disp-formula id="equ13">
<mml:math id="m268">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">O</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.973</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.169</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.156</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.179</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.982</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.0565</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.144</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.0830</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.986</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>we have<disp-formula id="equ14">
<mml:math id="m269">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">O</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.707</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.707</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">O</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.354</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>5.657</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>Hence, according to <xref ref-type="statement" rid="Remark_2">Remark 2</xref>, <inline-formula id="inf234">
<mml:math id="m270">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf235">
<mml:math id="m271">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are equivalent solutions, and our method successfully predicts the correct coordinate transformation <inline-formula id="inf236">
<mml:math id="m272">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to close the moment system. However, as expected, due to <inline-formula id="inf237">
<mml:math id="m273">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the linear combination matrix <inline-formula id="inf238">
<mml:math id="m274">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the transformed dictionary is not sparse.</p>
<p>Case 2: <inline-formula id="inf239">
<mml:math id="m275">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We next explore the case when <inline-formula id="inf240">
<mml:math id="m276">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Equation 12</xref>. We use the same linear library <inline-formula id="inf241">
<mml:math id="m277">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf242">
<mml:math id="m278">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is initially set to <inline-formula id="inf243">
<mml:math id="m279">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In Algorithm 1, we set <inline-formula id="inf244">
<mml:math id="m280">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="monospace">m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="monospace">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="monospace">x</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="monospace">I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="monospace">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="monospace">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="monospace">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1000</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf245">
<mml:math id="m281">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="monospace">I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="monospace">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="monospace">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="monospace">r</mml:mi>
<mml:mtext>_</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="monospace">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="monospace">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="monospace">h</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="monospace">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="monospace">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="monospace">u</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="monospace">l</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="monospace">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="monospace">d</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>400</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf246">
<mml:math id="m282">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>20</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The algorithm returns<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m283">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.030</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.100</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.002</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.021</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.001</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.707</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.021</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.001</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.707</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1.830</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.003</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.011</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.383</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>5.714</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.010</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Similarly, after a further change of coordinates using:<disp-formula id="equ15">
<mml:math id="m284">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.030</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.002</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.030</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.002</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>we again have<disp-formula id="equ16">
<mml:math id="m285">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.707</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.707</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a4;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.354</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>5.657</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0.000</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>Note that the result <inline-formula id="inf247">
<mml:math id="m286">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Equation 23</xref> for <inline-formula id="inf248">
<mml:math id="m287">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is much closer to the ground truth <inline-formula id="inf249">
<mml:math id="m288">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">Equation 22</xref>, compared to <inline-formula id="inf250">
<mml:math id="m289">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">Equation 21</xref> with <inline-formula id="inf251">
<mml:math id="m290">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This demonstrates that a positive <inline-formula id="inf252">
<mml:math id="m291">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with annealed optimization not only discovers the correct coordinate transformation to close the system but also achieves a sparser solution for <inline-formula id="inf253">
<mml:math id="m292">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, reducing the number of terms on the right-hand side of the moment ODE system.</p>
</sec>
<sec id="s4-8">
<title>4.8 An example of unclosed moment system</title>
<p>Finally, we present a case without analytical closure. Our &#x201c;data-driven closure&#x201d; aims to provide an accurate, reduced-order description of the PDE by approximating the evolution of the moment systems. In principle, this is the type of problem that we are aiming for, namely the discovery of potential moment closures when these may not be analytically available; the examples presented previously are valuable benchmarks to raise the complications that may emerge when one seeks to use this type of methodology in systems where the answer may be unknown and what credibility one may wish to assign to the obtained results.</p>
<p>Specifically, we consider an NLS <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref> with a <italic>time-dependent</italic> nonlinearity:<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m293">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Notice that such time-dependent nonlinearities are well-known for some time in atomic physics settings (<xref ref-type="bibr" rid="B12">Donley et al., 2001</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B42">Staliunas et al., 2002</xref>) (and continue to yield novel insights to this day (<xref ref-type="bibr" rid="B41">Shagalov and Friedland, 2024</xref>)) and similar dynamical scenarios have been considered in nonlinear optics (<xref ref-type="bibr" rid="B8">Centurion et al., 2006</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B46">Zhang et al., 2021</xref>).</p>
<p>Moment systems with such nonlinearity will not close to the best of our knowledge, so we aim to numerically approximate form of the dynamics of the moments <inline-formula id="inf254">
<mml:math id="m294">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf255">
<mml:math id="m295">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We consider the following three ICs:<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m296">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.88</mml:mn>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m297">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.88</mml:mn>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m298">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Notably, the IC <xref ref-type="disp-formula" rid="e27">Equation 27</xref> includes a quadratic phase, motivated by the quadratic phase approximation (QPA) ansatz for NLS equations discussed by (<xref ref-type="bibr" rid="B36">P&#xe9;rez-Garc&#xed;a et al., 2007</xref>). It also includes regular, smooth localized initial conditions, as well as one involving Fourier mode oscillations, modulated by the Gaussian term. We expect the SINDy-predicted dynamics to vary with the different ICs of <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Equations 25</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e27">27</xref>, hence the relevant choices.</p>
<p>Due to the periodic nature of the nonlinearity <inline-formula id="inf256">
<mml:math id="m299">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e24">Equation 24</xref>, we expect the moment system to be non-autonomous and exhibit an oscillatory pattern. To capture this, we introduce the following two &#x201c;auxiliary moments&#x201d;:<disp-formula id="equ17">
<mml:math id="m300">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>Naturally, one can observe that these are inspired by the nature of <inline-formula id="inf257">
<mml:math id="m301">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. However, one can envision the use of Fourier modes even if the mathematical model was not known or if the data stemmed from experimental observations.</p>
<p>We then apply SINDy with a linear library <inline-formula id="inf258">
<mml:math id="m302">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to the expanded moment systems <inline-formula id="inf259">
<mml:math id="m303">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The time series data of the moments are collected by integrating the PDE up to <inline-formula id="inf260">
<mml:math id="m304">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>20</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The exact SINDy-predicted ODEs for all three ICs are presented in the <xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Material</xref>.</p>
<p>To test the accuracy of the predicted moment systems, we integrate the SINDy-predicted ODEs into the future, up to <inline-formula id="inf261">
<mml:math id="m305">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>100</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref> compares the ground-truth and SINDy-predicted time evolutions for the three ICs <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Equations 25</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e27">27</xref>. In all cases, the model closely matches the ground truth up to <inline-formula id="inf262">
<mml:math id="m306">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>100</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Indeed, this is well past the training time of <inline-formula id="inf263">
<mml:math id="m307">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>20</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and thus provides a satisfactory reduced-order description of the underlying PDE effective moment dynamics. Thus, despite the potential shortcomings of the method which we tried to present in an unbiased fashion in case examples where the analytical theory helps assess them, we still find it to be a worthwhile tool to consider. I.e., from a data-driven perspective, it can be seen to potentially provide an effective, low-dimensional dynamical representation of the associated high-dimensional PDE dynamics.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>Comparison between the ground-truth time evolution (in red) and the SINDy-predicted evolution (in blue). Training data were obtained by integrating the NLS equation up to <inline-formula id="inf264">
<mml:math id="m308">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>20</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> using the initial conditions of <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Equations 25</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e27">27</xref>. In all cases (displayed in three different rows), the SINDy-predicted moment dynamics closely match the ground truth, well past the time frame of the training data, offering a satisfactory reduced-order description of the underlying PDE through the corresponding moment systems.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphot-05-1444993-g003.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s5">
<title>5 Conclusion and future directions</title>
<p>This study explores a data-driven approach to identifying moment equations in nonlinear Schr&#xf6;dinger models. This paves the way more generally towards the use of similar methods in nonlinear PDEs which may feature similar wave phenomena. We applied the relevant sparse regression/optimization methodology aiming to rediscover known analytical closures (progressively extending considerations to more complex settings), addressed overfitting by augmenting datasets with multiple initial conditions, and identified suitable coordinate transformations for systems requiring them so as to bring forth the reduced or analytically tractable form of the dynamics. Additionally, we demonstrated that our approach could provide a reduced-order description of systems without analytical closures by approximating the evolution of the moment systems. Our findings show that this data-driven method can capture complex dynamics in NLS models and offer insights for various physical applications, possibly well past the training time used for the data-driven methods.</p>
<p>Future work will focus on extending our method to more complex PDEs and exploring its applicability to other types of nonlinear dynamical high-dimensional models, such as, e.g., the ones we mentioned in the context Fisher-KPP models and their applications to brain tumor dynamics, as analyzed, e.g., in (<xref ref-type="bibr" rid="B6">Belmonte-Beitia et al., 2014</xref>). Another possible avenue is to, instead of recovering the moment systems through <italic>numerical differentiation</italic> of the moment time series (as done in SINDy), leverage <italic>numerical integration</italic> into future time of a suitably augmented system. This approach, similar to Neural ODEs (<xref ref-type="bibr" rid="B10">Chen et al., 2018</xref>) and shooting methods, can help avoid producing predicted ODEs that blow up in finite time which SINDy may produce (see details in <xref ref-type="sec" rid="s4-6">Section 4.2.2</xref> and the <xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Material</xref>). Additionally, we plan to develop techniques to identify <italic>nonlinear</italic> coordinate transformations that can close the moment system, further enhancing the applicability of our method. Lastly, one can envision such classes of techniques for obtaining additional reduced features of solitary waves, such as data-driven variants of the variational approximation (<xref ref-type="bibr" rid="B33">Malomed, 2002</xref>), or data-driven models of soliton interaction dynamics (<xref ref-type="bibr" rid="B34">Manton, 1979</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B22">Kevrekidis et al., 2004</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B32">Ma et al., 2016</xref>).</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="data-availability" id="s6">
<title>Data availability statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/<xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Material</xref>, further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec sec-type="author-contributions" id="s7">
<title>Author contributions</title>
<p>SY: Formal Analysis, Investigation, Methodology, Software, Writing&#x2013;original draft. SC: Formal Analysis, Investigation, Methodology, Software, Writing&#x2013;original draft. WZ: Conceptualization, Funding acquisition, Methodology, Writing&#x2013;review and editing. PK: Conceptualization, Funding acquisition, Methodology, Supervision, Writing&#x2013;review and editing.</p>
</sec>
<sec sec-type="funding-information" id="s8">
<title>Funding</title>
<p>The author(s) declare that financial support was received for the research, authorship, and/or publication of this article. This material is based upon work supported by the U.S. National Science Foundation under the awards PHY-2110030 and DMS-2204702 (PGK), as well as DMS-2052525, DMS-2140982, and DMS2244976 (WZ).</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s9">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s10">
<title>Publisher&#x2019;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<sec id="s11">
<title>Supplementary material</title>
<p>The Supplementary Material for this article can be found online at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphot.2024.1444993/full#supplementary-material">https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphot.2024.1444993/full&#x23;supplementary-material</ext-link>
</p>
<supplementary-material xlink:href="DataSheet1.pdf" id="SM1" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ablowitz</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <source>Nonlinear dispersive waves, asymptotic analysis and solitons</source>. <publisher-loc>Cambridge</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/cbo9780511998324</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ablowitz</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Clarkson</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1991</year>). &#x201c;<article-title>Solitons, nonlinear evolution equations, and inverse scattering</article-title>,&#x201d; in <source>149 of London math. Soc. Lecture note series</source>. <publisher-loc>Cambridge</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge U. Press</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ablowitz</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Prinari</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Trubatch</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2004</year>). <source>Discrete and continuous nonlinear schr&#xf6;dinger systems</source>. <publisher-loc>Cambridge</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Absil</surname>
<given-names>P.-A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mahony</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sepulchre</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2008</year>). <source>Optimization algorithms on matrix manifolds</source>. <publisher-name>Princeton University Press</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bakarji</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Champion</surname>
<given-names>K. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kutz</surname>
<given-names>J. N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Brunton</surname>
<given-names>S. L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Discovering governing equations from partial measurements with deep delay autoencoders</article-title>. <source>CoRR abs/2201</source>, <fpage>05136</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rspa.2023.0422</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Belmonte-Beitia</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Calvo</surname>
<given-names>G. F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>P&#xe9;rez-Garc&#xed;a</surname>
<given-names>V. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Effective particle methods for Fisher&#x2013;Kolmogorov equations: theory and applications to brain tumor dynamics</article-title>. <source>Commun. Nonlinear Sci. Numer. Simul.</source> <volume>19</volume>, <fpage>3267</fpage>&#x2013;<lpage>3283</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cnsns.2014.02.004</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Brunton</surname>
<given-names>S. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Proctor</surname>
<given-names>J. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kutz</surname>
<given-names>J. N.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <source>Discovering governing equations from data by sparse identification of nonlinear dynamical systems</source>, <fpage>3932</fpage>&#x2013;<lpage>3937</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Centurion</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Porter</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kevrekidis</surname>
<given-names>P. G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Psaltis</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Nonlinearity management in optics: experiment, theory, and simulation</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>97</volume>, <fpage>033903</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.97.033903</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Champion</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lusch</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kutz</surname>
<given-names>J. N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Brunton</surname>
<given-names>S. L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Data-driven discovery of coordinates and governing equations</article-title>. <source>Proc. Natl. Acad. Sci.</source> <volume>116</volume>, <fpage>22445</fpage>&#x2013;<lpage>22451</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.1906995116</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>R. T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rubanova</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bettencourt</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Duvenaud</surname>
<given-names>D. K.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Neural ordinary differential equations</article-title>. <source>Adv. neural Inf. Process. Syst.</source> <volume>31</volume>. <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.1806.07366</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>De Koster</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wahls</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Data-driven identification of the spectral operator in AKNS Lax pairs using conserved quantities</article-title>. <source>Wave Motion</source> <volume>127</volume>, <fpage>103273</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.wavemoti.2024.103273</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Donley</surname>
<given-names>E. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Claussen</surname>
<given-names>N. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cornish</surname>
<given-names>S. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Roberts</surname>
<given-names>J. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cornell</surname>
<given-names>E. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wieman</surname>
<given-names>C. E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2001</year>). <article-title>Dynamics of collapsing and exploding Bose&#x2013;Einstein condensates</article-title>. <source>Nature</source> <volume>412</volume>, <fpage>295</fpage>&#x2013;<lpage>299</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/35085500</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Edelman</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Arias</surname>
<given-names>T. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Smith</surname>
<given-names>S. T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1998</year>). <article-title>The geometry of algorithms with orthogonality constraints</article-title>. <source>SIAM J. Matrix Analysis Appl.</source> <volume>20</volume>, <fpage>303</fpage>&#x2013;<lpage>353</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/s0895479895290954</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Feliu-Faba</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fan</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ying</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Meta-learning pseudo-differential operators with deep neural networks</article-title>. <source>J. Comput. Phys.</source> <volume>408</volume>, <fpage>109309</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jcp.2020.109309</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Garc&#xed;a-Ripoll</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>P&#xe9;rez-Garc&#xed;a</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1999</year>). <article-title>The moment method in general nonlinear Schr&#xf6;dinger equations</article-title>
</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hasegawa</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kodama</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1995</year>). <source>Solitons in optical communications</source>. <publisher-loc>Oxford</publisher-loc>: <publisher-name>Clarendon Press</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Infeld</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rowlands</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2000</year>). <source>Nonlinear waves, solitons and chaos</source>. <publisher-loc>Cambridge</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Karjanto</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Modeling wave packet dynamics and exploring applications: a comprehensive guide to the nonlinear Schr&#xf6;dinger equation</article-title>. <source>Mathematics</source> <volume>12</volume>, <fpage>744</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/math12050744</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Karniadakis</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kevrekidis</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lu</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Perdikaris</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Physics-informed machine learning</article-title>. <source>Nat. Rev. Phys.</source> <volume>3</volume>, <fpage>422</fpage>&#x2013;<lpage>440</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s42254-021-00314-5</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kassam</surname>
<given-names>A.-K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Trefethen</surname>
<given-names>L. N.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2005</year>). <article-title>Fourth-order time-stepping for stiff PDEs</article-title>. <source>SIAM J. Sci. Comput.</source> <volume>26</volume>, <fpage>1214</fpage>&#x2013;<lpage>1233</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/s1064827502410633</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kevrekidis</surname>
<given-names>P. G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Frantzeskakis</surname>
<given-names>D. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Carretero-Gonz&#xe1;lez</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <source>The defocusing nonlinear schr&#xf6;dinger equation</source>. <publisher-loc>Philadelphia</publisher-loc>: <publisher-name>SIAM</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kevrekidis</surname>
<given-names>P. G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Khare</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Saxena</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Solitary wave interactions in dispersive equations using Manton&#x2019;s approach</article-title>. <source>Phys. Rev. E</source> <volume>70</volume>, <fpage>057603</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.70.057603</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kivshar</surname>
<given-names>Y. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Agrawal</surname>
<given-names>G. P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2003</year>). <source>Optical solitons: from fibers to photonic crystals</source>. <publisher-name>Academic Press</publisher-name>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/B978-0-12-410590-4.X5000-1</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kono</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Skori&#x107;</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <source>Nonlinear physics of plasmas</source>. <publisher-loc>Heidelberg</publisher-loc>: <publisher-name>Springer-Verlag</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Krippendorf</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>L&#xfc;st</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Syvaeri</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Integrability ex machina</article-title>. <source>Fortschritte Phys.</source> <volume>69</volume>, <fpage>2100057</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/prop.202100057</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kovachki</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Azizzadenesheli</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bhattacharya</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stuart</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2021</year>). &#x201c;<article-title>Fourier neural operator for parametric partial differential equations</article-title>,&#x201d; in <conf-name>International Conference on Learning Representations</conf-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xiao</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xiang Yuan</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>A penalty-free infeasible approach for a class of nonsmooth optimization problems over the Stiefel manifold</article-title>. <source>J. Sci. Comput.</source> <volume>99</volume>, <fpage>30</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10915-024-02495-4</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Madhavan</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tegmark</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Machine learning conservation laws from differential equations</article-title>. <source>Phys. Rev. E</source> <volume>106</volume>, <fpage>045307</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreve.106.045307</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tegmark</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Machine learning conservation laws from trajectories</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>126</volume>, <fpage>180604</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.126.180604</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tegmark</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Machine learning hidden symmetries</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>128</volume>, <fpage>180201</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.128.180201</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lu</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Meng</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mao</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Karniadakis</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>DeepXDE: a deep learning library for solving differential equations</article-title>. <source>SIAM Rev.</source> <volume>63</volume>, <fpage>208</fpage>&#x2013;<lpage>228</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/19m1274067</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B32">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ma</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Navarro</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Carretero-Gonz&#xe1;lez</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Solitons riding on solitons and the quantum Newton&#x2019;s cradle</article-title>. <source>Phys. Rev. E</source> <volume>93</volume>, <fpage>022202</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.93.022202</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B33">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Malomed</surname>
<given-names>B. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2002</year>). <article-title>Progress in optics (Elsevier)</article-title>. <source>Var. methods nonlinear fiber Opt. Relat. fields</source> <volume>43</volume>, <fpage>69</fpage>&#x2013;<lpage>191</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0079-6638(02)80026-9</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B34">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Manton</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1979</year>). <article-title>An effective Lagrangian for solitons</article-title>. <source>Nucl. Phys. B</source> <volume>150</volume>, <fpage>397</fpage>&#x2013;<lpage>412</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0550-3213(79)90309-2</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B35">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Oviedo</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dalmau</surname>
<given-names>O.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). &#x201c;<article-title>A scaled gradient projection method for minimization over the Stiefel manifold</article-title>,&#x201d; in <source>Advances in soft computing</source>. Editors <person-group person-group-type="editor">
<name>
<surname>Mart&#xed;nez-Villase&#xf1;or</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Batyrshin</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mar&#xed;n-Hern&#xe1;ndez</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<publisher-loc>Cham</publisher-loc>: <publisher-name>Springer International Publishing</publisher-name>), <fpage>239</fpage>&#x2013;<lpage>250</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B36">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>P&#xe9;rez-Garc&#xed;a</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Torres</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Montesinos</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2007</year>). <article-title>The method of moments for nonlinear Schr&#xf6;dinger equations: theory and applications</article-title>. <source>SIAM J. Appl. Math.</source> <volume>67</volume>, <fpage>990</fpage>&#x2013;<lpage>1015</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/050643131</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B37">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pethick</surname>
<given-names>C. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Smith</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2002</year>). <source>Bose&#x2013;einstein condensation in Dilute Gases</source>. <publisher-loc>Cambridge, United Kingdom</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B38">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pitaevskii</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stringari</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2003</year>). <source>Bose-Einstein condensation</source>. <publisher-loc>Oxford</publisher-loc>: <publisher-name>Oxford University Press</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B39">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Raissi</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Perdikaris</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Karniadakis</surname>
<given-names>G. E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Physics-informed neural networks: a deep learning framework for solving forward and inverse problems involving nonlinear partial differential equations</article-title>. <source>J. Comput. Phys.</source> <volume>378</volume>, <fpage>686</fpage>&#x2013;<lpage>707</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jcp.2018.10.045</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B40">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schaeffer</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Learning partial differential equations via data discovery and sparse optimization</article-title>. <source>Proc. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci.</source> <volume>473</volume>, <fpage>20160446</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rspa.2016.0446</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B41">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shagalov</surname>
<given-names>A. G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Friedland</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Autoresonant generation of solitons in Bose-Einstein condensates by modulation of the interaction strength</article-title>. <source>Phys. Rev. E</source> <volume>109</volume>, <fpage>014201</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.109.014201</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B42">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Staliunas</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Longhi</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>de Valc&#xe1;rcel</surname>
<given-names>G. J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2002</year>). <article-title>Faraday patterns in Bose-Einstein condensates</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>89</volume>, <fpage>210406</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.89.210406</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B43">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sulem</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sulem</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1999</year>). <source>The nonlinear Schr&#xf6;dinger equation: self-focusing and wave collapse</source>. <publisher-loc>New York</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B44">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tibshirani</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1996</year>). <article-title>Regression shrinkage and selection via the lasso</article-title>. <source>J. R. Stat. Soc. Ser. B Stat. Methodol.</source> <volume>58</volume>, <fpage>267</fpage>&#x2013;<lpage>288</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1111/j.2517-6161.1996.tb02080.x</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B45">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Xiao</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yuan</surname>
<given-names>Y.-x.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>A class of smooth exact penalty function methods for optimization problems with orthogonality constraints</article-title>. <source>Optim. Methods Softw.</source> <volume>37</volume>, <fpage>1205</fpage>&#x2013;<lpage>1241</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/10556788.2020.1852236</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B46">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fu</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fan</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Solitary beam propagation in periodic layered Kerr media enables high-efficiency pulse compression and mode self-cleaning</article-title>. <source>Light Sci. and Appl.</source> <volume>10</volume>, <fpage>53</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41377-021-00495-9</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B47">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>H.-K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kevrekidis</surname>
<given-names>P. G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Machine learning of independent conservation laws through neural deflation</article-title>. <source>Phys. Rev. E</source> <volume>108</volume>, <fpage>L022301</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.108.L022301</pub-id>
</citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>