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データからの潜在ダイナミクス抽出のための統計的機械学習とその応用

研究課題

研究課題/領域番号 18H03287
研究種目

基盤研究(B)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 小区分61030:知能情報学関連
研究機関九州大学 (2019-2021)
大阪大学 (2018)

研究代表者

河原 吉伸  九州大学, マス・フォア・インダストリ研究所, 教授 (00514796)

研究分担者 中尾 裕也  東京工業大学, 工学院, 教授 (40344048)
研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
16,770千円 (直接経費: 12,900千円、間接経費: 3,870千円)
2021年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
2020年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2019年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2018年度: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)
キーワード非線形ダイナミクス / 作用素論的解析 / 機械学習 / 統計的機械学習 / データ科学 / 非線形動力学 / 位相縮約 / データ駆動科学
研究成果の概要

計測技術・情報インフラの発展を背景に,観測/計測データを用いたデータ駆動による科学的知識の抽出は,近年様々な領域において重要な課題として認識されている.本研究では,複雑な現象が従う動的特性(ダイナミクス)をデータから抽出するための機械学習アルゴリズムの構築に取り組んだ.特に,物理分野で注目を集めるクープマン解析を中心とした作用素論的解析を,機械学習の枠組みに基づき融合的に拡張し,複雑な系の情報抽出とその信頼性評価を行う方法を開発した.また,抽出情報を予測に用いるための学習アルゴリズムの開発も行った.最終的には,複数科学領域における研究者との共同による応用的研究を行いその有用性の検証を行なった.

研究成果の学術的意義や社会的意義

データ駆動による科学的知識の抽出は,近年様々な領域においてますます重要となっている.本研究では,データ駆動により複雑現象に関する動的特性の情報抽出を行い,そしてそれを更に予測へ用いるための新たな機械学習に基づく理論・アルゴリズムの構築を進めた.また,脳波解析や集団運動をはじめとしたいくつかの科学領域におけるデータ解析に対して適用し,その有用性を確認した.このような課題は広く科学領域において重要となるものであり,本研究で得られた成果は,本研究でも取り組んだ分野に限らず今後広く他分野へと波及する技術的要素となることが期待できる.

報告書

(5件)
  • 2021 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 研究成果

    (44件)

すべて 2022 2021 2020 2019 2018

すべて 雑誌論文 (16件) (うち査読あり 16件、 オープンアクセス 12件) 学会発表 (27件) (うち国際学会 9件、 招待講演 12件) 産業財産権 (1件) (うち外国 1件)

  • [雑誌論文] Dynamic mode decomposition via convolutional encoders for dynamics modeling in videos2022

    • 著者名/発表者名
      I. Ul Haq, T. Iwata, and Y. Kawahara
    • 雑誌名

      Computer Vision and Image Understanding

      巻: 216 ページ: 103355-103355

    • DOI

      10.1016/j.cviu.2021.103355

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Predicting behavior through dynamic modes in resting-state fMRI data2022

    • 著者名/発表者名
      S. Ikeda, K. Kawano, S. Watanabe, O. Yamashita, and Y. Kawahara
    • 雑誌名

      NeuroImage

      巻: 247 ページ: 118801-118801

    • DOI

      10.1016/j.neuroimage.2021.118801

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Discriminant Dynamic Mode Decomposition for Labeled Spatio-Temporal Data Collections2022

    • 著者名/発表者名
      N. Takeishi, K. Takeuchi, K. Fujii, and Y. Kawahara
    • 雑誌名

      SIAM Journal on Applied Dynamical Systems

      巻: -

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Koopman spectral analysis of elementary cellular automata2021

    • 著者名/発表者名
      Keisuke Taga, Yuzuru Kato, Yoshinobu Kawahara, Yoshihiro Yamazaki, and Hiroya Nakao
    • 雑誌名

      Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science

      巻: 31 号: 10 ページ: 103121-103121

    • DOI

      10.1063/5.0059202

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Physically-interpretable classification of biological network dynamics for complex collective motions2020

    • 著者名/発表者名
      Fujii Keisuke、Takeishi Naoya、Hojo Motokazu、Inaba Yuki、Kawahara Yoshinobu
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 10 号: 1 ページ: 3005-3005

    • DOI

      10.1038/s41598-020-58064-w

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Neural decoding of ECoG signals using dynamic mode decomposition2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Shiraishi, Y. Kawahara, O. Yamashita, R. Fukuma, S. Yamamoto, Y. Saitoh, H. Kishima & T. Yanagisawa
    • 雑誌名

      Journal of Neural Engineering

      巻: 17 号: 3 ページ: 036009-036009

    • DOI

      10.1088/1741-2552/ab8910

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Dynamic mode decomposition via dictionary learning for foreground modeling in videos2020

    • 著者名/発表者名
      I. Ul Haq, K. Fujii, & Y. Kawahara
    • 雑誌名

      Computer Vision and Image Understanding

      巻: 199 ページ: 103022-103022

    • DOI

      10.1016/j.cviu.2020.103022

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Learning Multiple Nonlinear Dynamical Systems with Side Information2020

    • 著者名/発表者名
      N. Takeishi, & Y. Kawahara
    • 雑誌名

      Proc. of the 59th IEEE Conf. on Decision and Control (CDC'20)

      巻: -- ページ: 3206-3211

    • DOI

      10.1109/cdc42340.2020.9304482

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Krylov Subspace Method for Nonlinear Dynamical Systems with Random Noise2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Hashimoto, I. Ishikawa, M. Ikeda, Y. Matsuo, & Y. Kawahara
    • 雑誌名

      Journal of Machine Learning Research

      巻: 21 ページ: 1-29

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Dynamic mode decomposition in vector-valued reproducing kernel Hilbert spaces for extracting dynamical structure among observables2019

    • 著者名/発表者名
      Fujii Keisuke、Kawahara Yoshinobu
    • 雑誌名

      Neural Networks

      巻: 117 ページ: 94-103

    • DOI

      10.1016/j.neunet.2019.04.020

    • NAID

      120006765145

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Data-driven spectral analysis for coordinative structures in periodic human locomotion2019

    • 著者名/発表者名
      Fujii Keisuke、Takeishi Naoya、Kibushi Benio、Kouzaki Motoki、Kawahara Yoshinobu
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 9 号: 1 ページ: 16755-16755

    • DOI

      10.1038/s41598-019-53187-1

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Learning with coherence patters in multivariate time-series data via dynamic mode decomposition2019

    • 著者名/発表者名
      T. Bito,M. Hiraoka,and Y. Kawahara
    • 雑誌名

      Proc. of the 2019 Int'l Joint Conf. on Neural Networks (IJCNN'19)

      巻: - ページ: 19278-19278

    • DOI

      10.1109/ijcnn.2019.8852177

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Supervised dynamic mode decomposition via multitask learning2019

    • 著者名/発表者名
      Fujii Keisuke、Kawahara Yoshinobu
    • 雑誌名

      Pattern Recognition Letters

      巻: 122 ページ: 7-13

    • DOI

      10.1016/j.patrec.2019.02.010

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Factorially Switching Dynamic Mode Decomposition for Koopman Analysis of Time-Variant Systems2018

    • 著者名/発表者名
      N. Takeishi, T. Yairi and Y. Kawahara
    • 雑誌名

      Proceedings of 2018 IEEE Conference on Decision and Control (CDC'18)

      巻: -- ページ: 6402-6408

    • DOI

      10.1109/cdc.2018.8619846

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Metric on Nonlinear Dynamical Systems with Perron-Frobenius Operators2018

    • 著者名/発表者名
      I. Ishikawa, K. Fujii, M. Ikeda, Y. Hashimoto and Y. Kawahara
    • 雑誌名

      Advances in Neural Information Processing Systems 31 (Proc. of NeurIPS'18)

      巻: -- ページ: 2856-2866

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Prediction and classification in equation-free collective motion dynamics2018

    • 著者名/発表者名
      Fujii Keisuke、Kawasaki Takeshi、Inaba Yuki、Kawahara Yoshinobu
    • 雑誌名

      PLOS Computational Biology

      巻: 14 号: 11 ページ: e1006545-e1006545

    • DOI

      10.1371/journal.pcbi.1006545

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Data-Driven Analysis of Dynamical Systems: From the Operator-Theoretic Perspective2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Kawahara
    • 学会等名
      Perspectives on Artificial Intelligence and Machine Learning in Materials Science
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 非線形動力学の作用素論的解析とニューラルネット2021

    • 著者名/発表者名
      河原吉伸
    • 学会等名
      非線形動力学に基づく次世代AIと基盤技術に関するシンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 複雑ダイナミクスの理解へのデータ駆動によるアプローチと機械学習2021

    • 著者名/発表者名
      河原吉伸
    • 学会等名
      2021年度 人工知能学会全国大会 (第35回), 企画セッション KS-04「人工知能と数学-数学の強み-」
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 非線形ダイナミクスの作用素論的データ解析とその応用2021

    • 著者名/発表者名
      河原吉伸
    • 学会等名
      日本オペレーションズ・リサーチ学会「超スマート社会のシステムデザインのための理論と応用」研究部会 第9回研究会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書 2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 残差の独立性に基づく動的モード間の因果構造の探索2021

    • 著者名/発表者名
      児島歩武, 河原吉伸
    • 学会等名
      第24回 情報論的学習理論ワークショップ (IBIS 2021), 18
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Human behavior can be predicted from resting-state brain dynamic modes2021

    • 著者名/発表者名
      S. Ikeda, K. Kawano, S. Watanabe, O. Yamashita, and Y. Kawahara
    • 学会等名
      第44回日本神経科学大会/第1回 CJK 国際会議
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Resting-state brain dynamic modes predict behavioral traits2021

    • 著者名/発表者名
      S. Ikeda, K. Kawano , S. Watanabe , O. Yamashita , and Y. Kawahara
    • 学会等名
      2021 Annual Meeting of Organization for Human Brain Mapping (OHBM-21)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 安定不変集合をもつ力学系の学習2020

    • 著者名/発表者名
      武石直也, 河原吉伸
    • 学会等名
      第23回 情報論的学習理論ワークショップ (IBIS 2020)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 複数人のモデリングのための部分観測と力学的制約を伴う分散型政策学習2020

    • 著者名/発表者名
      藤井慶輔, 武石直也, 河原吉伸, 武田一哉
    • 学会等名
      第23回 情報論的学習理論ワークショップ (IBIS 2020)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Reproducing kernel Hilbert C*-moduleによる多変量データの解析2020

    • 著者名/発表者名
      橋本悠香, 石川勲, 池田正弘, 紅村冬大, 勝良健史, 河原吉伸
    • 学会等名
      第23回 情報論的学習理論ワークショップ (IBIS 2020)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Operator-theoretic data analysis for dynamic processes2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Kawahara
    • 学会等名
      I2CNER-IMI International Workshop
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 動的モード分解の最近の発展と応用の広がり2019

    • 著者名/発表者名
      河原吉伸
    • 学会等名
      第36回 プラズマ・核融合学会 年会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 非線形力学系の作用素論的データ解析:クープマン解析、動的モード分解の基礎から最近の話題まで2019

    • 著者名/発表者名
      河原吉伸
    • 学会等名
      RIMS共同研究 (公開型) 諸科学分野を結ぶ基礎学問としての数値解析学の研究集会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Data-driven Analysis of Dynamical Systems: An Operator-theoretic Approach2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Kawahara
    • 学会等名
      2019 International Joint Conference on AI and Data Science: Mathematics and Applications
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 非線形ダイナミクスの作用素論的データ解析とその応用2019

    • 著者名/発表者名
      河原吉伸
    • 学会等名
      SICE九州フォーラム「モデリングと制御における学習と最適化理論と実践」
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Operator Theoretic Analysis of Dynamical Systems and Dynamic Mode Decomposition2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Kawahara
    • 学会等名
      JSPS A3 Workshop on Soft Matter 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] データ駆動によるダイナミクス解析と機械学習2019

    • 著者名/発表者名
      河原吉伸
    • 学会等名
      第24回情報・統計科学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Interpretable classification of complex collective motions using graph dynamic mode decomposition2019

    • 著者名/発表者名
      K. Fujii, N. Takeishi & Y. Kawahara
    • 学会等名
      11th Asian Conference on Machine Learning (ACML2019) Workshop on Machine Learning for Trajectory, Activity, and Behavior (ACML-TAB)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ノイズ付き非線形力学系のためのKrylov部分空間法2019

    • 著者名/発表者名
      橋本悠香, 石川勲, 池田正弘, 松尾洋一, 河原吉伸
    • 学会等名
      第22回情報論的学習理論ワークショップ(IBIS 2019)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 観測量間の動的構造を抽出するグラフ動的モード分解と集団スポーツデータへの応用2019

    • 著者名/発表者名
      藤井慶輔, 武石直也, 河原吉伸
    • 学会等名
      第22回情報論的学習理論ワークショップ(IBIS 2019)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Data-driven Analysis of Nonlinear Dynamical Systems Based on Operator-theoretic Methods2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Kawahara
    • 学会等名
      Mini Symposia: Towards integration of neuroscience and machine intelligence, NEURO 2019, 1S06a-6
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Data-driven spectral analysis for social biomechanics2019

    • 著者名/発表者名
      藤井 慶輔, 武石直也, 稲葉優希, 木伏紅緒, 神崎素樹, 河原吉伸
    • 学会等名
      第1回彗ひろば(バイオメカニクス研究会)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Data-Driven Analysis of Koopman Spectra with Reproducing Kernels2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Kawahara
    • 学会等名
      Advanced Data-Driven Techniques and Numerical Methods in Koopman Operator Theory, SIAM Conf. On Applications of Dynamical Systems (DS'19)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Kernel Koopman spectral analysis for nonlinear dynamical systems2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Kawahara
    • 学会等名
      Structure-exploiting techniques for approximation, inference and control of complex systems (MS361), 2019 SIAM Conf. on Computational Science and Engineering (CSE'19)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Kernel Koopman spectral analysis for nonlinear dynamical systems2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Kawahara
    • 学会等名
      Structure-exploiting techniques for approximation, inference and control of complex systems (MS361), 2019 SIAM Conf. on Computational Science and Engineering (CSE19)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Koopman spectral analysis with reproducing kernels for nonlinear dynamical systems2018

    • 著者名/発表者名
      Y. Kawahara
    • 学会等名
      MC03: Data-Driven Methods for Dynamical Systems, 2018 INFORMS Int'l Conf.
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 動的モード分解による時空間データ解析2018

    • 著者名/発表者名
      河原吉伸
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合2018年大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [産業財産権] 評価装置、評価方法、プログラム、ならびに、情報記録媒体2018

    • 発明者名
      藤井慶輔,河原吉伸
    • 権利者名
      藤井慶輔,河原吉伸
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 外国

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公開日: 2018-04-23   更新日: 2023-01-30  

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