Введение
Модель для приближения нелинейных эффектов, аналогичная ряду Тейлора Серия Вольтерры - модель нелинейного поведения, аналогичная ряду Тейлора. Он отличается от серии Тейлора своей способностью улавливать эффекты "памяти". Серия Тейлора может использоваться для приближения ответа нелинейной системы на данный вход, если выход системы строго зависит от входа в данный конкретный момент времени. В серии Вольтерры выход нелинейной системы зависит от входа в систему во все остальные времена. Это обеспечивает возможность захвата эффекта "памяти" таких устройств, как конденсаторы и индукторы. Он применяется в области медицины (биомедицинская инженерия) и биологии, особенно нейробиологии. Он также используется в электротехнике для моделирования интермодуляционных искажений во многих устройствах, включая усилители мощности и частотные смесители. Его главное преимущество заключается в его обобщаемости: он может представлять широкий спектр систем. Таким образом, иногда его считают непаратрической моделью. В математике ряд Вольтерры обозначает функциональное расширение динамического, нелинейного, временного инвариантного функционала. Серия Volterra часто используется в идентификации системы. Ряд Вольтерры, который используется для доказательства теоремы Вольтерры, представляет собой бесконечную сумму многомерных сверточных интегралов.
The Volterra series is a model for non linear behavior similar to the Taylor series. It differs from the Taylor series in its ability to capture "memory" effects. The Taylor series can be used for approximating the response of a nonlinear system to a given input if the output of the system depends strictly on the input at that particular time. In the Volterra series, the output of the nonlinear system depends on the input to the system at all other times. This provides the ability to capture the "memory" effect of devices like capacitors and inductors. It has been applied in the fields of medicine (biomedical engineering) and biology, especially neuroscience. It is also used in electrical engineering to model intermodulation distortion in many devices, including power amplifiers and frequency mixers. Its main advantage lies in its generalizability: it can represent a wide range of systems. Thus, it is sometimes considered a non parametric model. In mathematics, a Volterra series denotes a functional expansion of a dynamic, nonlinear, time invariant functional. The Volterra series are frequently used in system identification. The Volterra series, which is used to prove the Volterra theorem, is an infinite sum of multidimensional convolutional integrals.
История
Серия Вольтерры - это модернизированная версия теории аналитических функционалов итальянского математика Вито Вольтерры, работа которого датируется 1887 годом. Норберт Винер заинтересовался этой теорией в 1920-х годах из-за его контакта со студентом Волтерры Полом Леви. Винер применил свою теорию движения Брауна для интеграции аналитических функционалов Вольтерры. Использование серии Вольтерры для системного анализа возникло из ограниченного военного отчета 1942 года Винера, который тогда был профессором математики в MIT. Он использовал серию для приблизительного анализа эффекта радиолокационного шума в нелинейной цепи приемника. Доклад стал публичным после войны. В качестве общего метода анализа нелинейных систем серия Вольтерры начала использоваться примерно после 1957 года в результате серии докладов, сначала частных, из MIT и других мест. Само название серии Volterra появилось несколько лет спустя.
Методы оценки коэффициентов ядра
Оценка коэффициентов Вольтерры по отдельности является сложной, поскольку базовые функционалы ряда Вольтерры коррелируют. Это приводит к проблеме одновременного решения множества интегральных уравнений для коэффициентов. Следовательно, оценка коэффициентов Вольтерры обычно выполняется путем оценки коэффициентов ортогонализованного ряда, например ряда Винера, а затем пересчета коэффициентов исходного ряда Вольтерры. Основная привлекательность серии Вольтерры по сравнению с ортогонализованной серией заключается в ее интуитивной, канонической структуре, т.е. все взаимодействия ввода имеют одну фиксированную степень. Функционалы ортогонализированной основы, как правило, довольно сложны. Важным аспектом, в отношении которого следующие методы отличаются, является то, должна ли ортогонализация базовых функционалов выполняться над идеализированной спецификацией входного сигнала (например, гауссовский, белый шум) или над фактической реализацией входного сигнала (т.е. псевдослучайная, ограниченная, почти белая версия гауссового белого шума или любого другого стимула). Последние методы, несмотря на их отсутствие математической элегантности, показали себя более гибкими (поскольку произвольные входы могут быть легко приняты) и точными (из-за того, что идеализированная версия входного сигнала не всегда реализуема).
Линейная регрессия
Линейная регрессия - стандартный инструмент линейного анализа. Таким образом, одним из главных преимуществ является широкое распространение стандартных инструментов для эффективного решения линейных регрессий. Он имеет некоторое образовательное значение, поскольку подчеркивает основное свойство ряда Вольтерры: линейная комбинация нелинейных базовых функционалов. Для оценки следует знать порядок оригинала, поскольку функционалы основы Вольтерры не ортогональны, и, следовательно, оценка не может быть выполнена постепенно.
Метод ядра
Этот метод был изобретен Францем и Шёлькопфом и основан на теории статистического обучения. Следовательно, этот подход также основан на минимизации эмпирической ошибки (часто называемой минимизацией эмпирического риска). Франц и Шелкопф предложили, что метод ядра может по существу заменить представление серии Вольтерры, хотя отмечают, что последний более интуитивно понятен.
Дифференциальный отбор проб
Этот метод был разработан ван Хеменом и его коллегами и использует дельта-функции Дирака для выборки коэффициентов Вольтерры.