从数据中发现复杂系统的基本动力是一个重要的实践主题。受限的优化算法被广泛使用并带来许多成功。但是，这种纯粹的数据驱动方法可能会在存在随机噪声的情况下会导致物理不正确，并且无法轻易通过不完整的数据来处理情况。在本文中，开发了一种具有部分观察结果的复杂湍流系统的新迭代学习算法，该算法在识别模型结构，恢复未观察到的变量和估计参数之间交替。首先，将基于因果关系的学习方法用于模型结构的稀疏识别，该方法考虑了从数据中预先学习的某些物理知识。它在应对特征之间的间接耦合方面具有独特的优势，并且与随机噪声具有鲁棒性。实用算法旨在促进高维系统的因果推断。接下来，构建了系统的非线性随机参数化，以表征未观察到的变量的时间演变。通过有效的非线性数据同化的封闭分析公式被利用以采样未观察到的变量的轨迹，然后将其视为合成观测值，以提高快速参数估计。此外，状态变量依赖性和物理约束的本地化已纳入学习过程，从而减轻维度的诅咒并防止有限的时间爆破问题。数值实验表明，新算法成功地识别模型结构并为许多具有混乱动力学，时空多尺度结构，间歇性和极端事件的复杂非线性系统提供合适的随机参数化。
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在许多学科中，动态系统的数据信息预测模型的开发引起了广泛的兴趣。我们提出了一个统一的框架，用于混合机械和机器学习方法，以从嘈杂和部分观察到的数据中识别动态系统。我们将纯数据驱动的学习与混合模型进行比较，这些学习结合了不完善的域知识。我们的公式与所选的机器学习模型不可知，在连续和离散的时间设置中都呈现，并且与表现出很大的内存和错误的模型误差兼容。首先，我们从学习理论的角度研究无内存线性（W.R.T.参数依赖性）模型误差，从而定义了过多的风险和概括误差。对于沿阵行的连续时间系统，我们证明，多余的风险和泛化误差都通过与T的正方形介于T的术语（指定训练数据的时间间隔）的术语界定。其次，我们研究了通过记忆建模而受益的方案，证明了两类连续时间复发性神经网络（RNN）的通用近似定理：两者都可以学习与内存有关的模型误差。此外，我们将一类RNN连接到储层计算，从而将学习依赖性错误的学习与使用随机特征在Banach空间之间进行监督学习的最新工作联系起来。给出了数值结果（Lorenz '63，Lorenz '96多尺度系统），以比较纯粹的数据驱动和混合方法，发现混合方法较少，渴望数据较少，并且更有效。最后，我们从数值上证明了如何利用数据同化来从嘈杂，部分观察到的数据中学习隐藏的动态，并说明了通过这种方法和培训此类模型来表示记忆的挑战。
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我们确定有效的随机微分方程（SDE），用于基于精细的粒子或基于试剂的模拟的粗糙观察结果；然后，这些SDE提供了精细规模动力学的有用的粗替代模型。我们通过神经网络近似这些有效的SDE中的漂移和扩散率函数，可以将其视为有效的随机分解。损失函数的灵感来自于已建立的随机数值集成剂的结构（在这里，欧拉 - 玛鲁山和米尔斯坦）；因此，我们的近似值可以受益于这些基本数值方案的向后误差分析。当近似粗的模型（例如平均场方程）可用时，它们还自然而然地适合“物理信息”的灰色盒识别。 Langevin型方程和随机部分微分方程（SPDE）的现有数值集成方案也可以用于训练；我们在随机强迫振荡器和随机波方程式上证明了这一点。我们的方法不需要长时间的轨迹，可以在散落的快照数据上工作，并且旨在自然处理每个快照的不同时间步骤。我们考虑了预先知道粗糙的集体观察物以及必须以数据驱动方式找到它们的情况。
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在科学的背景下，众所周知的格言“一张图片胜过千言万语”可能是“一个型号胜过一千个数据集”。在本手稿中，我们将Sciml软件生态系统介绍作为混合物理法律和科学模型的信息，并使用数据驱动的机器学习方法。我们描述了一个数学对象，我们表示通用微分方程（UDE），作为连接生态系统的统一框架。我们展示了各种各样的应用程序，从自动发现解决高维汉密尔顿 - Jacobi-Bellman方程的生物机制，可以通过UDE形式主义和工具进行措辞和有效地处理。我们展示了软件工具的一般性，以处理随机性，延迟和隐式约束。这使得各种SCIML应用程序变为核心训练机构的核心集，这些训练机构高度优化，稳定硬化方程，并与分布式并行性和GPU加速器兼容。
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在广泛的应用程序中，从观察到的数据中识别隐藏的动态是一项重大且具有挑战性的任务。最近，线性多步法方法（LMM）和深度学习的结合已成功地用于发现动力学，而对这种方法进行完整的收敛分析仍在开发中。在这项工作中，我们考虑了基于网络的深度LMM，以发现动态。我们使用深网的近似属性提出了这些方法的错误估计。它指出，对于某些LMMS的家庭，$ \ ell^2 $网格错误由$ O（H^p）$的总和和网络近似错误，其中$ h $是时间步长和$P $是本地截断错误顺序。提供了几个物理相关示例的数值结果，以证明我们的理论。
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我们介绍了一个名为统计信息的神经网络（SINN）的机器学习框架，用于从数据中学习随机动力学。从理论上讲，这种新的架构是受到随机系统的通用近似定理的启发，我们在本文中介绍了它，以及用于随机建模的投影手术形式。我们设计了训练神经网络模型的机制，以重现目标随机过程的正确\ emph {统计}行为。数值模拟结果表明，受过良好训练的SINN可以可靠地近似马尔可夫和非马克维亚随机动力学。我们证明了SINN对粗粒问题和过渡动力学的建模的适用性。此外，我们表明可以在时间粗粒的数据上训练所获得的减少阶模型，因此非常适合稀有事实模拟。
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我们合并计算力学的因果状态（预测等同历史）的定义与再现 - 内核希尔伯特空间（RKHS）表示推断。结果是一种广泛适用的方法，可直接从系统行为的观察中迁移因果结构，无论它们是否超过离散或连续事件或时间。结构表示 - 有限或无限状态内核$ \ epsilon $ -Machine - 由减压变换提取，其提供了有效的因果状态及其拓扑。以这种方式，系统动态由用于在因果状态上的随机（普通或部分）微分方程表示。我们介绍了一种算法来估计相关的演化运营商。平行于Fokker-Plank方程，它有效地发展了因果状态分布，并通过RKHS功能映射在原始数据空间中进行预测。我们展示了这些技术，以及他们的预测能力，在离散时间的离散时间离散 - 有限的无限值Markov订单流程，其中有限状态隐藏马尔可夫模型与（i）有限或（ii）不可数 - 无限因果态和（iii）连续时间，由热驱动的混沌流产生的连续值处理。该方法在存在不同的外部和测量噪声水平和非常高的维数据存在下鲁棒地估计因果结构。
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这项研究的目的是评估历史匹配的潜力（HM），以调整具有多尺度动力学的气候系统。通过考虑玩具气候模型，即两尺度的Lorenz96模型并在完美模型设置中生产实验，我们详细探讨了如何需要仔细测试几种内置选择。我们还展示了在参数范围内引入物理专业知识的重要性，这是运行HM的先验性。最后，我们重新审视气候模型调整中的经典过程，该程序包括分别调整慢速和快速组件。通过在Lorenz96模型中这样做，我们说明了合理参数的非唯一性，并突出了从耦合中出现的指标的特异性。本文也有助于弥合不确定性量化，机器学习和气候建模的社区，这是通过在每个社区使用的术语之间建立相同概念的术语并提出有希望的合作途径，从而使气候建模研究受益。
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时间序列数据的生成和分析与许多从经济学到流体力学的定量字段相关。在物理科学中，诸如亚稳态和连贯的组的结构，慢松弛过程，集体变量显性过渡途径或歧管流动流动的概率流动可能非常重视理解和表征系统的动力动力学和机械性质。 Deeptime是一种通用Python库，提供各种工具来估计基于时间序列数据的动态模型，包括传统的线性学习方法，例如马尔可夫状态模型（MSM），隐藏的马尔可夫模型和Koopman模型，以及内核和深度学习方法如vampnets和深msms。该库主要兼容Scikit-Searn，为这些不同的模型提供一系列估计器类，但与Scikit-Ge劳说相比，还提供了深度模型类，例如，在MSM的情况下，提供了多种分析方法来计算有趣的热力学，动力学和动态量，例如自由能，松弛时间和过渡路径。图书馆专为易于使用而设计，而且易于维护和可扩展的代码。在本文中，我们介绍了Deeptime软件的主要特征和结构。
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物理信息的神经网络（PINN）是神经网络（NNS），它们作为神经网络本身的组成部分编码模型方程，例如部分微分方程（PDE）。如今，PINN是用于求解PDE，分数方程，积分分化方程和随机PDE的。这种新颖的方法已成为一个多任务学习框架，在该框架中，NN必须在减少PDE残差的同时拟合观察到的数据。本文对PINNS的文献进行了全面的综述：虽然该研究的主要目标是表征这些网络及其相关的优势和缺点。该综述还试图将出版物纳入更广泛的基于搭配的物理知识的神经网络，这些神经网络构成了香草·皮恩（Vanilla Pinn）以及许多其他变体，例如物理受限的神经网络（PCNN），各种HP-VPINN，变量HP-VPINN，VPINN，VPINN，变体。和保守的Pinn（CPINN）。该研究表明，大多数研究都集中在通过不同的激活功能，梯度优化技术，神经网络结构和损耗功能结构来定制PINN。尽管使用PINN的应用范围广泛，但通过证明其在某些情况下比有限元方法（FEM）等经典数值技术更可行的能力，但仍有可能的进步，最著名的是尚未解决的理论问题。
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基于近似基础的Koopman操作员或发电机的数据驱动的非线性动力系统模型已被证明是预测，功能学习，状态估计和控制的成功工具。众所周知，用于控制膜系统的Koopman发电机还对输入具有仿射依赖性，从而导致动力学的方便有限维双线性近似。然而，仍然存在两个主要障碍，限制了当前方法的范围，以逼近系统的koopman发电机。首先，现有方法的性能在很大程度上取决于要近似Koopman Generator的基础函数的选择；目前，目前尚无通用方法来为无法衡量保存的系统选择它们。其次，如果我们不观察到完整的状态，我们可能无法访问足够丰富的此类功能来描述动态。这是因为在有驱动时，通常使用时间延迟的可观察物的方法失败。为了解决这些问题，我们将Koopman Generator控制的可观察到的动力学写为双线性隐藏Markov模型，并使用预期最大化（EM）算法确定模型参数。 E-Step涉及标准的Kalman滤波器和更光滑，而M-Step类似于发电机的控制效果模式分解。我们在三个示例上证明了该方法的性能，包括恢复有限的Koopman-Invariant子空间，用于具有缓慢歧管的驱动系统；估计非强制性行驶方程的Koopman本征函数；仅基于提升和阻力的嘈杂观察，对流体弹球系统的模型预测控制。
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使用机器学习结构的增强机械常微分方程（ODE）模型是一种新颖的方法，可以通过测量数据创建专业知识和现实的高精度，低维模型。我们的探索性研究侧重于培训具有限制循环的物理非线性动力系统的通用微分方程（UDE）模型：勃起振动振荡和电动非线性振荡器的空心罐。我们考虑通过数值模拟产生培训数据的示例，而我们还将建议的建模概念应用于物理实验，允许我们研究各种复杂性的问题。要收集培训数据，因此使用基于控制的延续的方法，因为它不仅捕获稳定，而且使用观察到的系统的不稳定限制周期。此功能使得可以提取有关观察系统的更多信息，而不是标准，开环方法允许。我们使用神经网络和高斯过程作为通用近似器，以及机械模型，对UDE建模方法的准确性和稳健性进行了关键评估。我们还突出显示可能在培训过程中遇到的潜在问题，指示当前建模框架的限制。
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在科学技术的许多领域中，从数据中提取理事物理学是一个关键挑战。方程发现的现有技术取决于输入和状态测量。但是，实际上，我们只能访问输出测量。我们在这里提出了一个新的框架，用于从输出测量中学习动态系统的物理学；这本质上将物理发现问题从确定性转移到随机域。提出的方法将输入模拟为随机过程，并将随机演算，稀疏学习算法和贝叶斯统计的概念融合在一起。特别是，我们将稀疏性结合起来，促进尖峰和平板先验，贝叶斯法和欧拉·马鲁山（Euler Maruyama）计划，以从数据中识别统治物理。最终的模型高效，可以进行稀疏，嘈杂和不完整的输出测量。在涉及完整状态测量和部分状态测量的几个数值示例中说明了所提出方法的功效和鲁棒性。获得的结果表明，拟议方法仅从产出测量中识别物理学的潜力。
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这项工作探讨了物理驱动的机器学习技术运算符推理（IMIPF），以预测混乱的动力系统状态。 OPINF提供了一种非侵入性方法来推断缩小空间中多项式操作员的近似值，而无需访问离散模型中出现的完整订单操作员。物理系统的数据集是使用常规数值求解器生成的，然后通过主成分分析（PCA）投影到低维空间。在潜在空间中，设置了一个最小二乘问题以适合二次多项式操作员，该操作员随后在时间整合方案中使用，以便在同一空间中产生外推。解决后，将对逆PCA操作进行重建原始空间中的外推。通过标准化的根平方误差（NRMSE）度量评估了OPINF预测的质量，从中计算有效的预测时间（VPT）。考虑混乱系统Lorenz 96和Kuramoto-Sivashinsky方程的数值实验显示，具有VPT范围的OPINF降低订单模型的有希望的预测能力，这些模型均超过了最先进的机器学习方法，例如返回和储层计算循环新的Neural网络[1 ]，以及马尔可夫神经操作员[2]。
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最近，通过深度学习框架提取动态系统的数据驱动法则在各个领域都引起了很多关注。此外，越来越多的研究工作倾向于将确定性动力学系统转移到随机动力学系统上，尤其是由非高斯乘法噪声驱动的系统。但是，对于高斯病例，许多基于原木样式的算法不能直接扩展到非高斯场景，这些场景可能存在很高的错误和低收敛问题。在这项工作中，我们克服了其中的一些挑战，并确定由$ \ alpha $稳定的l \'evy噪声驱动的随机动力系统，仅来自随机的成对数据。我们的创新包括：（1）设计一种深度学习方法，以学习l \'evy诱发的噪声的漂移和扩散系数，并在所有值中使用$ \ alpha $，（2）学习复杂的乘法噪声，而无需限制小噪声强度，（（ 3）在一般输入数据假设下，即随机系统识别的端到端完整框架，即$ \ alpha $稳定的随机变量。最后，数值实验和与非本地KRAMERS-MOYAL公式与力矩生成功能的比较证实了我们方法的有效性。
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从随机数据中揭示隐藏的动态是一个具有挑战性的问题，因为随机性参与了数据的发展。当在许多情况下没有随机数据的轨迹时，问题就变得非常复杂。在这里，我们提出了一种方法，可以根据fokker-planck（FP）方程的弱形式有效地建模随机数据的动力学，该方程控制了布朗工艺中密度函数的演变。将高斯函数作为弱形式的FP方程式的测试函数，我们将衍生物传递到高斯函数，从而将衍生物传递到高斯函数，从而通过数据的期望值近似弱形式。使用未知术语的字典表示，将线性系统构建，然后通过回归解决，从而揭示数据的未知动力学。因此，我们以弱搭配回归（WCK）方法为其三个关键组成部分命名该方法：弱形式，高斯核的搭配和回归。数值实验表明我们的方法是灵活而快速的，它在多维问题中揭示了几秒钟内的动力学，并且可以轻松地扩展到高维数据，例如20个维度。 WCR还可以正确地识别具有可变依赖性扩散和耦合漂移的复杂任务的隐藏动力学，并且性能很强，在添加噪声的情况下，在情况下达到了高精度。
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Recent years have witnessed a growth in mathematics for deep learning--which seeks a deeper understanding of the concepts of deep learning with mathematics, and explores how to make it more robust--and deep learning for mathematics, where deep learning algorithms are used to solve problems in mathematics. The latter has popularised the field of scientific machine learning where deep learning is applied to problems in scientific computing. Specifically, more and more neural network architectures have been developed to solve specific classes of partial differential equations (PDEs). Such methods exploit properties that are inherent to PDEs and thus solve the PDEs better than classical feed-forward neural networks, recurrent neural networks, and convolutional neural networks. This has had a great impact in the area of mathematical modeling where parametric PDEs are widely used to model most natural and physical processes arising in science and engineering, In this work, we review such methods and extend them for parametric studies as well as for solving the related inverse problems. We equally proceed to show their relevance in some industrial applications.
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This paper focuses on a stochastic system identification problem: given time series observations of a stochastic differential equation (SDE) driven by L\'{e}vy $\alpha$-stable noise, estimate the SDE's drift field. For $\alpha$ in the interval $[1,2)$, the noise is heavy-tailed, leading to computational difficulties for methods that compute transition densities and/or likelihoods in physical space. We propose a Fourier space approach that centers on computing time-dependent characteristic functions, i.e., Fourier transforms of time-dependent densities. Parameterizing the unknown drift field using Fourier series, we formulate a loss consisting of the squared error between predicted and empirical characteristic functions. We minimize this loss with gradients computed via the adjoint method. For a variety of one- and two-dimensional problems, we demonstrate that this method is capable of learning drift fields in qualitative and/or quantitative agreement with ground truth fields.
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我们考虑了使用显微镜或X射线散射技术产生的图像数据自组装的模型的贝叶斯校准。为了说明BCP平衡结构中的随机远程疾病，我们引入了辅助变量以表示这种不确定性。然而，这些变量导致了高维图像数据的综合可能性，通常可以评估。我们使用基于测量运输的可能性方法以及图像数据的摘要统计数据来解决这一具有挑战性的贝叶斯推理问题。我们还表明，可以计算出有关模型参数的数据中的预期信息收益（EIG），而无需额外的成本。最后，我们介绍了基于二嵌段共聚物薄膜自组装和自上而下显微镜表征的ohta-kawasaki模型的数值案例研究。为了进行校准，我们介绍了一些基于域的能量和傅立叶的摘要统计数据，并使用EIG量化了它们的信息性。我们证明了拟议方法研究数据损坏和实验设计对校准结果的影响的力量。
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我们开发一种方法来构造来自表示基本上非线性（或不可连锁的）动态系统的数据集构成低维预测模型，其中具有由有限许多频率的外部强制进行外部矫正的双曲线线性部分。我们的数据驱动，稀疏，非线性模型获得为低维，吸引动力系统的光谱子纤维（SSM）的降低的动态的延长正常形式。我们说明了数据驱动的SSM降低了高维数值数据集的功率和涉及梁振荡，涡旋脱落和水箱中的晃动的实验测量。我们发现，在未加工的数据上培训的SSM减少也在额外的外部强制下准确预测非线性响应。
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