Comprehensive Robust Dynamic Mode Decomposition from Mode Extraction to Dimensional Reduction
Yuki Nakamura, Shingo Takemoto, and Shunsuke Ono
We propose a DMD framework that robustifies the entire process from mode extraction to dimensional reduction against mixed noise.
We demonstrate the effectiveness of the proposed method through experiments using fluid dynamics datasets.
混合ノイズに対して, モード抽出から次元圧縮に至る一連のプロセス全体をロバスト化するDMDフレームワークを提案する.
流体ダイナミクスのデータセットを用いた実験を通して, 提案手法の有効性を検証する.
By formulating the problem as a convex optimization task, our method ensures stable and accurate mode extraction with guaranteed convergence.
By referencing the information-rich noisy observations during dimensional reduction, our method constructs high-fidelity representations.
問題を凸最適化問題として定式化することにより, アルゴリズムの収束を保証し, 安定かつ正確なモード抽出を実現する.
構造情報を豊富に持つが, ノイズを含む観測データを参照することで, 詳細な構造を保持した高忠実度な低次元モデルを構築する.
Abstract
We propose Comprehensive Robust Dynamic Mode Decomposition (CR-DMD), a novel framework that robustifies the entire DMD process - from mode extraction to dimensional reduction - against mixed noise. Although standard DMD widely used for uncovering spatio-temporal patterns and constructing low-dimensional models of dynamical systems, it suffers from significant performance degradation under noise due to its reliance on least-squares estimation for computing the linear time evolution operator. Existing robust variants typically modify the least-squares formulation, but they remain unstable and fail to ensure faithful low-dimensional representations. First, we introduce a convex optimization-based preprocessing method designed to effectively remove mixed noise, achieving accurate and stable mode extraction. Second, we propose a new convex formulation for dimensional reduction that explicitly links the robustly extracted modes to the original noisy observations, constructing a faithful representation of the original data via a sparse weighted sum of the modes. Both stages are efficiently solved by a preconditioned primal-dual splitting method. Experiments on fluid dynamics datasets demonstrate that CR-DMD consistently outperforms state-of-the-art robust DMD methods in terms of mode accuracy and fidelity of low-dimensional representations under noisy conditions.
本論文では, 混合ノイズに対してモード抽出から次元圧縮までを一貫してロバスト化する, 包括的な動的モード分解 (Comprehensive Robust Dynamic Mode Decomposition : CR-DMD) のフレームワークを提案する. 標準的なDMDは, 多次元時系列データに内在する時空間パターンの解析や, システムの低次元モデル構築に広く用いられているが, その核となる線形時間発展作用素の計算を最小二乗推定に依存しているため, ノイズ下では著しく性能が低下するという課題がある. 既存のロバストな派生手法の多くは, 最小二乗法の定式化を改良するアプローチをとっているが, 外れ値のような強度の強いノイズに対しては依然として脆弱であり, モード抽出の不安定性や, 低次元表現における忠実性の欠如といった課題を抱えている. 本研究ではこれらの問題を解消するため, 二つのステージからなるロバストなDMDフレームワークを提案する. 第一段階では,凸最適化に基づき混合ノイズを効果的に分離・除去する前処理手法を導入し,正確かつ安定したモード抽出を実現する. 第二段階では,ロバストに抽出されたモードと,ノイズが重畳した元の観測データを観測モデルによって直接紐付ける,次元圧縮のための新しい凸定式化を提案する. これにより,モードのスパースな加重和を最適化することで,前処理段階で平滑化されがちな詳細な構造までを忠実に再現することが可能となる. そして, これらの問題を効率的に解くためのアルゴリズムを, ステップサイズ自動決定法付き主- 双対近接分離法に基づいて開発する. 流体シミュレーションデータを用いた実験を通して, CR-DMDを最先端のロバストDMD手法と比較し, CR-DMDの有効性を検証する.
Results
Reference
Yuki Nakamura, Shingo Takemoto and Shunsuke Ono, "Comprehensive Robust Dynamic Mode Decomposition from Mode Extraction to Dimensional Reduction," arXiv:2501.08210, 2026.