我们提出了一种深度学习策略，以估计级别方法中二维隐式接口的平均曲率。我们的方法是基于拟合馈送的神经网络与由沉浸在各种分辨率均匀网格中的圆形界面构建的合成数据集。这些多层感知器处理自由边界旁边的网格点的级别值，并在接口上最接近的位置输出无量纲曲率。在统一和自适应网格中，涉及不规则界面的精确分析表明，我们的模型与$ l^1 $和$ l^2 $规范中的传统数值方案具有竞争力。特别是，当界面具有陡峭的曲率区域以及重新初始化水平集函数的迭代次数时，我们的神经网络在粗分辨率中以可比精度近似于曲率。尽管传统的数值方法比我们的框架更强大，但我们的结果揭示了机器学习的潜力，以处理已知级别方法遇到困难的计算任务。我们还确定，与通用神经网络相比，可以设计出依赖于应用程序的局部分辨率的局部分辨率图来更有效地估计平均曲率。

我们提出了一种基于机器学习的新型混合策略，以改善水平集方法中的曲率估计。提出的推理系统伴侣使用标准数值方案增强了神经网络，以更准确地计算曲率。我们混合框架的核心是一种开关机制，依赖于确定的数值技术来衡量曲率。如果曲率幅度大于依赖分辨率的阈值，则使用神经网络来产生更好的近似值。我们的网络是安装在各种配置下由正弦和圆形接口样品组成的合成数据集的多层感知器。为了降低数据集大小和训练复杂性，我们利用问题的特征对称性，并在曲率光谱的一半上构建模型。这些储蓄导致一个强大的推理系统能够仅胜过其任何数值或神经成分。具有固定，平滑接口的实验表明，我们的混合求解器在粗网格和陡峭的界面区域中明显优于常规数值方法。与先前的研究相比，我们已经观察到通过从多个接口类型的数据对训练回归模型后的精确提高，并使用专门的输入预处理转换数据。特别是，我们的发现证实机器学习是减少或消除级别方法中质量损失的有希望的场所。

我们提出了一个机器学习框架，该框架将图像超分辨率技术与级别测量方法中的被动标量传输融为一体。在这里，我们研究是否可以计算直接数据驱动的校正，以最大程度地减少界面的粗晶石演化中的数值粘度。拟议的系统的起点是半拉格朗日配方。并且，为了减少数值耗散，我们引入了一个易于识别的多层感知器。该神经网络的作用是改善数值估计的表面轨迹。为此，它在单个时间范围内处理局部级别集，速度和位置数据，以便在移动前部附近的选择顶点。因此，我们的主要贡献是一种新型的机器学习调音算法，该算法与选择性重新融为一体并与常规对流交替运行，以保持调整后的界面轨迹平滑。因此，我们的程序比基于全卷卷积的应用更有效，因为它仅在自由边界周围集中计算工作。同样，我们通过各种测试表明，我们的策略有效地抵消了数值扩散和质量损失。例如，在简单的对流问题中，我们的方法可以达到与基线方案相同的精度，分辨率是分辨率的两倍，但成本的一小部分。同样，我们的杂种技术可以产生可行的固化前端，以进行结晶过程。另一方面，切向剪切流和高度变形的模拟会导致偏置伪像和推理恶化。同样，严格的设计速度约束可以将我们的求解器的应用限制为涉及快速接口更改的问题。在后一种情况下，我们已经确定了几个机会来增强鲁棒性，而没有放弃我们的方法的基本概念。

我们提出了一种基于错误的神经模型模型，用于在级别集方法中近似二维曲率。我们的主要贡献是重新设计的混合求解器[Larios-C \'Ardenas和Gibou，J。Comput。物理。 （2022年5月），10.1016/j.jcp.2022.111291]依靠数值方案来按需启用机器学习操作。特别是，我们的常规特征是双重预测对线束曲率对称不变性，以支持精度和稳定性。该求解器的核心是在圆形和正弦式接口样品上训练的多层感知器。它的作用是量化数值曲率近似值中的误差，并沿自由边界发射校正的校正估计值。这些校正是针对预处理上下文级别，曲率和梯度数据而产生的。为了促进神经能力，我们采用了样品阴性屈肌的归一化，重新定位和基于反射的增强。以相同的方式，我们的系统结合了降低，平衡性良好和正则化，以最大程度地减少外围影响。我们的训练方法同样可以跨网格尺寸扩展。为此，我们在数据生产过程中引入了无量纲的参数化和概率子采样。总之，所有这些元素都提高了分辨不足区域周围曲率计算的准确性和效率。在大多数实验中，我们的策略的表现优于数值基线，是重新涉及步骤数的两倍，同时仅需要一小部分成本。

我们为级别集方法提出了一个数据驱动的均值曲线求解器。这项工作是我们在[arxiv：2201.12342] [1]和[doi：10.1016/j.jcp.2022.1111291] [arxiv：2201.12342] [1]中的二维策略的$ \ mathbb {r}^3 $的自然扩展。 ]。但是，与[1,2]建立了依赖分辨率的神经网络词典相比，在这里，我们在$ \ mathbb {r}^3 $中开发了两对模型，而不管网格大小如何。我们的前馈网络摄入的水平集，梯度和曲率数据转换为固定接口节点的数值均值曲率近似值。为了降低问题的复杂性，我们使用高斯曲率对模板进行了分类，并将模型分别适合于非堆肥和鞍模式。非插图模板更容易处理，因为它们表现出以单调性和对称性为特征的曲率误差分布。尽管后者允许我们仅在平均曲面频谱的一半上进行训练，但前者帮助我们将数据驱动的融合并在平坦区域附近无缝地融合了基线估计。另一方面，鞍形图案误差结构不太清楚。因此，我们没有利用超出已知信息的潜在信息。在这方面，我们不仅在球形和正弦和双曲线抛物面斑块上训练了我们的模型。我们构建他们的数据集的方法是系统的，但是随机收集样品，同时确保均衡度。我们还诉诸于标准化和降低尺寸，作为预处理步骤和集成正则化以最大程度地减少异常值。此外，我们利用曲率旋转/反射不变性在推理时提高精度。几项实验证实，与现代粒子的界面重建和水平设定方案相比，我们提出的系统可以产生更准确的均值曲线估计。

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。

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.

流体（VOF）方法的体积被广泛用于多相流仿真中，以跟踪和定位两个不混溶的流体之间的界面。VOF方法的主要瓶颈是界面重建步骤，由于其高计算成本和非结构化网格的精度较低。我们建议基于图神经网络（GNN）的机器学习增强的VOF方法，以加速通用非结构化网格上的接口重建。我们首先开发一种方法来基于在非结构化网格上离散的抛物面表面生成合成数据集。然后，我们训练基于GNN的模型并执行概括测试。我们的结果表明，在工业背景下，基于GNN的界面重建方法的效率。

这本数字本书包含在物理模拟的背景下与深度学习相关的一切实际和全面的一切。尽可能多，所有主题都带有Jupyter笔记本的形式的动手代码示例，以便快速入门。除了标准的受监督学习的数据中，我们将看看物理丢失约束，更紧密耦合的学习算法，具有可微分的模拟，以及加强学习和不确定性建模。我们生活在令人兴奋的时期：这些方法具有从根本上改变计算机模拟可以实现的巨大潜力。

在本文中，开发了用于求解具有delta功能奇异源的椭圆方程的浅丽兹型神经网络。目前的工作中有三个新颖的功能。即，（i）Delta函数奇异性自然删除，（ii）级别集合函数作为功能输入引入，（iii）它完全浅，仅包含一个隐藏层。我们首先介绍问题的能量功能，然后转换奇异源对沿界面的常规表面积分的贡献。以这种方式，可以自然删除三角洲函数，而无需引入传统正规化方法（例如众所周知的沉浸式边界方法）中常用的函数。然后将最初的问题重新重新审议为最小化问题。我们提出了一个带有一个隐藏层的浅丽兹型神经网络，以近似能量功能的全局最小化器。结果，通过最大程度地减少能源的离散版本的损耗函数来训练网络。此外，我们将界面的级别设置函数作为网络的功能输入，并发现它可以显着提高训练效率和准确性。我们执行一系列数值测试，以显示本方法的准确性及其在不规则域和较高维度中问题的能力。

在本文中，我们介绍了一种基于距离场的新方法，以确保物理知识的深神经网络中的边界条件。众所周知，满足网状紫外线和颗粒方法中的Dirichlet边界条件的挑战是众所周知的。该问题在物理信息的开发中也是相关的，用于解决部分微分方程的解。我们在人工神经网络中介绍几何意识的试验功能，以改善偏微分方程的深度学习培训。为此，我们使用来自建设性的实体几何（R函数）和广义的等级坐标（平均值潜在字段）的概念来构建$ \ phi $，对域边界的近似距离函数。要恰好施加均匀的Dirichlet边界条件，试验函数乘以\ PHI $乘以PINN近似，并且通过Transfinite插值的泛化用于先验满足的不均匀Dirichlet（必要），Neumann（自然）和Robin边界复杂几何形状的条件。在这样做时，我们消除了与搭配方法中的边界条件满意相关的建模误差，并确保以ritz方法点点到运动可视性。我们在具有仿射和弯曲边界的域上的线性和非线性边值问题的数值解。 1D中的基准问题，用于线性弹性，平面扩散和光束弯曲;考虑了泊松方程的2D，考虑了双音态方程和非线性欧克隆方程。该方法延伸到更高的尺寸，并通过在4D超立方套上解决彼此与均匀的Dirichlet边界条件求泊松问题来展示其使用。该研究提供了用于网眼分析的途径，以在没有域离散化的情况下在确切的几何图形上进行。

我们提出了一种基于物理知识的随机投影神经网络的数值方法，用于解决常微分方程（ODES）的初始值问题（IVPS）的解决方案，重点是僵硬的问题。我们使用具有径向基函数的单个隐藏层来解决一个极端学习机，其具有宽度均匀分布的随机变量，而输入和隐藏层之间的权重的值设置为等于1。通过构造非线性代数方程的系统来获得IVPS的数值解决方案，该系统由高斯-Nythto方法通过Gauss-Newton方法解决了输出权重，以调整集成时间间隔的简单自适应方案。为了评估其性能，我们应用了四个基准僵硬IVPS解决方案的提议方法，即预热罗宾逊，梵德，罗伯和雇用问题。我们的方法与基于Dormand-Prince对的自适应跳动-Kutta方法进行比较，以及基于数值差分公式的可变步骤可变序列多步解算器，如\ texttt {ode45}和\ texttt {ode15s}所实现的MATLAB功能分别。我们表明所提出的方案产生良好的近似精度，从而优于\ texttt {ode45}和\ texttt {ode15s}，尤其是在出现陡峭梯度的情况下。此外，我们的方法的计算时间与两种Matlab溶剂的计算时间用于实际目的。

在过去的十年中，在许多工程领域，包括自动驾驶汽车，医疗诊断和搜索引擎，甚至在艺术创作中，神经网络（NNS）已被证明是极有效的工具。确实，NN通常果断地超过传统算法。直到最近才引起重大兴趣的一个领域是使用NNS设计数值求解器，尤其是用于离散的偏微分方程。最近的几篇论文考虑使用NNS来开发多机方法，这些方法是解决离散的偏微分方程和其他稀疏矩阵问题的领先计算工具。我们扩展了这些新想法，重点关注所谓的放松操作员（也称为Smoothers），这是Multigrid算法的重要组成部分，在这种情况下尚未受到很多关注。我们探索了一种使用NNS学习带有随机系数的扩散算子的放松参数的方法，用于雅各比类型的Smoothers和4Color Gaussseidel Smoothers。后者的产量异常高效且易于使连续的放松（SOR）SmoOthors平行。此外，这项工作表明，使用两个网格方法在相对较小的网格上学习放松参数，而Gelfand的公式可以轻松实现。这些方法有效地产生了几乎最佳的参数，从而显着提高了大网格上的Multigrid算法的收敛速率。

神经网络的经典发展主要集中在有限维欧基德空间或有限组之间的学习映射。我们提出了神经网络的概括，以学习映射无限尺寸函数空间之间的运算符。我们通过一类线性积分运算符和非线性激活函数的组成制定运营商的近似，使得组合的操作员可以近似复杂的非线性运算符。我们证明了我们建筑的普遍近似定理。此外，我们介绍了四类运算符参数化：基于图形的运算符，低秩运算符，基于多极图形的运算符和傅里叶运算符，并描述了每个用于用每个计算的高效算法。所提出的神经运营商是决议不变的：它们在底层函数空间的不同离散化之间共享相同的网络参数，并且可以用于零击超分辨率。在数值上，与现有的基于机器学习的方法，达西流程和Navier-Stokes方程相比，所提出的模型显示出卓越的性能，而与传统的PDE求解器相比，与现有的基于机器学习的方法有关的基于机器学习的方法。

深度学习表明了视觉识别和某些人工智能任务的成功应用。深度学习也被认为是一种强大的工具，具有近似功能的高度灵活性。在本工作中，设计具有所需属性的功能，以近似PDE的解决方案。我们的方法基于后验误差估计，其中解决了错误定位以在神经网络框架内制定误差估计器的伴随问题。开发了一种高效且易于实现的算法，以通过采用双重加权剩余方法来获得多个目标功能的后验误差估计，然后使用神经网络计算原始和伴随解决方案。本研究表明，即使具有相对较少的训练数据，这种基于数据驱动的模型的学习具有卓越的感兴趣量的近似。用数值测试实施例证实了新颖的算法发展。证明了在浅神经网络上使用深神经网络的优点，并且还呈现了收敛增强技术

These notes were compiled as lecture notes for a course developed and taught at the University of the Southern California. They should be accessible to a typical engineering graduate student with a strong background in Applied Mathematics. The main objective of these notes is to introduce a student who is familiar with concepts in linear algebra and partial differential equations to select topics in deep learning. These lecture notes exploit the strong connections between deep learning algorithms and the more conventional techniques of computational physics to achieve two goals. First, they use concepts from computational physics to develop an understanding of deep learning algorithms. Not surprisingly, many concepts in deep learning can be connected to similar concepts in computational physics, and one can utilize this connection to better understand these algorithms. Second, several novel deep learning algorithms can be used to solve challenging problems in computational physics. Thus, they offer someone who is interested in modeling a physical phenomena with a complementary set of tools.

我们引入了一个神经隐式框架，该框架利用神经网络的可区分特性和点采样表面的离散几何形状，以将它们作为神经隐含函数的级别集近似。为了训练神经隐式函数，我们提出了近似签名距离函数的损失功能，并允许具有高阶导数的术语，例如曲率的主要方向之间的对齐方式，以了解更多几何细节。在训练过程中，我们考虑了基于点采样表面的曲率的不均匀采样策略，以优先考虑点更多的几何细节。与以前的方法相比，这种抽样意味着在保持几何准确性的同时更快地学习。我们还介绍了神经表面（例如正常矢量和曲率）的分析差异几何公式。

A new and efficient neural-network and finite-difference hybrid method is developed for solving Poisson equation in a regular domain with jump discontinuities on embedded irregular interfaces. Since the solution has low regularity across the interface, when applying finite difference discretization to this problem, an additional treatment accounting for the jump discontinuities must be employed. Here, we aim to elevate such an extra effort to ease our implementation by machine learning methodology. The key idea is to decompose the solution into singular and regular parts. The neural network learning machinery incorporating the given jump conditions finds the singular solution, while the standard finite difference method is used to obtain the regular solution with associated boundary conditions. Regardless of the interface geometry, these two tasks only require supervised learning for function approximation and a fast direct solver for Poisson equation, making the hybrid method easy to implement and efficient. The two- and three-dimensional numerical results show that the present hybrid method preserves second-order accuracy for the solution and its derivatives, and it is comparable with the traditional immersed interface method in the literature. As an application, we solve the Stokes equations with singular forces to demonstrate the robustness of the present method.

机器人社区在为软机器人设备建模提供的理论工具的复杂程度中看到了指数增长。已经提出了不同的解决方案以克服与软机器人建模相关的困难，通常利用其他科学学科，例如连续式机械和计算机图形。这些理论基础通常被认为是理所当然的，这导致复杂的文献，因此，从未得到完整审查的主题。Withing这种情况下，提交的文件的目标是双重的。突出显示涉及建模技术的不同系列的常见理论根源，采用统一语言，以简化其主要连接和差异的分析。因此，对上市接近自然如下，并最终提供在该领域的主要作品的完整，解开，审查。

在本文中，我们根据卷积神经网络训练湍流模型。这些学到的湍流模型改善了在模拟时为不可压缩的Navier-Stokes方程的溶解不足的低分辨率解。我们的研究涉及开发可区分的数值求解器，该求解器通过多个求解器步骤支持优化梯度的传播。这些属性的重要性是通过那些模型的出色稳定性和准确性来证明的，这些模型在训练过程中展开了更多求解器步骤。此外，我们基于湍流物理学引入损失项，以进一步提高模型的准确性。这种方法应用于三个二维的湍流场景，一种均匀的腐烂湍流案例，一个暂时进化的混合层和空间不断发展的混合层。与无模型模拟相比，我们的模型在长期A-posterii统计数据方面取得了重大改进，而无需将这些统计数据直接包含在学习目标中。在推论时，我们提出的方法还获得了相似准确的纯粹数值方法的实质性改进。