在科学和工程应用中，通常需要反复解决类似的计算问题。在这种情况下，我们可以利用先前解决的问题实例中的数据来提高查找后续解决方案的效率。这提供了一个独特的机会，可以将机器学习（尤其是元学习）和科学计算相结合。迄今为止，文献中已经提出了各种此类域特异性方法，但是设计这些方法的通用方法仍然不足。在本文中，我们通过制定一个通用框架来描述这些问题，并提出一种基于梯度的算法来以统一的方式解决这些问题。作为这种方法的说明，我们研究了迭代求解器的适应性参数的自适应生成，以加速微分方程的溶液。我们通过理论分析和数值实验来证明我们方法的性能和多功能性，包括应用于不可压缩流量模拟的应用以及参数估计的逆问题。

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.

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。

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。

基于深度学习的方法，例如物理知识的神经网络（PINN）和DeepOnets已显示出解决PDE受约束优化（PDECO）问题的希望。但是，现有方法不足以处理对优化目标具有复杂或非线性依赖性的PDE约束。在本文中，我们提出了一个新颖的双层优化框架，以通过将目标和约束的优化解耦来解决挑战。对于内部循环优化，我们采用PINN仅解决PDE约束。对于外循环，我们通过基于隐式函数定理（IFT）使用Broyden的方法来设计一种新颖的方法，该方法对于近似高度级别而言是有效且准确的。我们进一步介绍了高度级计算的理论解释和误差分析。在多个大规模和非线性PDE约束优化问题上进行了广泛的实验表明，与强基础相比，我们的方法可实现最新的结果。

事实证明，神经操作员是无限维函数空间之间非线性算子的强大近似值，在加速偏微分方程（PDE）的溶液方面是有希望的。但是，它需要大量的模拟数据，这些数据可能成本高昂，从而导致鸡肉 - 蛋的困境并限制其在求解PDE中的使用。为了摆脱困境，我们提出了一个无数据的范式，其中神经网络直接从由离散的PDE构成的平方平方残留（MSR）损失中学习物理。我们研究了MSR损失中的物理信息，并确定神经网络必须具有对PDE空间域中的远距离纠缠建模的挑战，PDE的空间域中的模式在不同的PDE中有所不同。因此，我们提出了低级分解网络（Lordnet），该网络可调节，并且也有效地建模各种纠缠。具体而言，Lordnet通过简单的完全连接的层学习了与全球纠缠的低级别近似值，从而以降低的计算成本来提取主要模式。关于解决泊松方程和纳维尔 - 长方式方程的实验表明，MSR损失的物理约束可以提高神经网络的精确度和泛化能力。此外，Lordnet在PDE中的其他现代神经网络体系结构都优于最少的参数和最快的推理速度。对于Navier-Stokes方程式，学习的运算符的速度比具有相同计算资源的有限差异解决方案快50倍。

Deep learning has achieved remarkable success in diverse applications; however, its use in solving partial differential equations (PDEs) has emerged only recently. Here, we present an overview of physics-informed neural networks (PINNs), which embed a PDE into the loss of the neural network using automatic differentiation. The PINN algorithm is simple, and it can be applied to different types of PDEs, including integro-differential equations, fractional PDEs, and stochastic PDEs. Moreover, from the implementation point of view, PINNs solve inverse problems as easily as forward problems. We propose a new residual-based adaptive refinement (RAR) method to improve the training efficiency of PINNs. For pedagogical reasons, we compare the PINN algorithm to a standard finite element method. We also present a Python library for PINNs, DeepXDE, which is designed to serve both as an education tool to be used in the classroom as well as a research tool for solving problems in computational science and engineering. Specifically, DeepXDE can solve forward problems given initial and boundary conditions, as well as inverse problems given some extra measurements. DeepXDE supports complex-geometry domains based on the technique of constructive solid geometry, and enables the user code to be compact, resembling closely the mathematical formulation. We introduce the usage of DeepXDE and its customizability, and we also demonstrate the capability of PINNs and the user-friendliness of DeepXDE for five different examples. More broadly, DeepXDE contributes to the more rapid development of the emerging Scientific Machine Learning field.

机器学习方法最近在求解部分微分方程（PDE）中的承诺。它们可以分为两种广泛类别：近似解决方案功能并学习解决方案操作员。物理知识的神经网络（PINN）是前者的示例，而傅里叶神经操作员（FNO）是后者的示例。这两种方法都有缺点。 Pinn的优化是具有挑战性，易于发生故障，尤其是在多尺度动态系统上。 FNO不会遭受这种优化问题，因为它在给定的数据集上执行了监督学习，但获取此类数据可能太昂贵或无法使用。在这项工作中，我们提出了物理知识的神经运营商（Pino），在那里我们结合了操作学习和功能优化框架。这种综合方法可以提高PINN和FNO模型的收敛速度和准确性。在操作员学习阶段，Pino在参数PDE系列的多个实例上学习解决方案操作员。在测试时间优化阶段，Pino优化预先训练的操作员ANSATZ，用于PDE的查询实例。实验显示Pino优于许多流行的PDE家族的先前ML方法，同时保留与求解器相比FNO的非凡速度。特别是，Pino准确地解决了挑战的长时间瞬态流量，而其他基线ML方法无法收敛的Kolmogorov流程。

我们制定了一类由物理驱动的深层变量模型（PDDLVM），以学习参数偏微分方程（PDES）的参数到解决方案（正向）和解决方案到参数（逆）图。我们的公式利用有限元方法（FEM），深神经网络和概率建模来组装一个深层概率框架，在该框架中，向前和逆图通过连贯的不确定性量化近似。我们的概率模型明确合并了基于参数PDE的密度和可训练的解决方案到参数网络，而引入的摊销变异家庭假定参数到解决方案网络，所有这些网络均经过联合培训。此外，所提出的方法不需要任何昂贵的PDE解决方案，并且仅在训练时间内对物理信息进行了信息，该方法允许PDE的实时仿真和培训后的逆问题解决方案的产生，绕开了对FEM操作的需求，以相当的准确性，以便于FEM解决方案。提出的框架进一步允许无缝集成观察到的数据，以解决反问题和构建生成模型。我们证明了方法对非线性泊松问题，具有复杂3D几何形状的弹性壳以及整合通用物理信息信息的神经网络（PINN）体系结构的有效性。与传统的FEM求解器相比，训练后，我们最多达到了三个数量级的速度，同时输出连贯的不确定性估计值。

我们研究了科学计算的数值算法的元学习，它将一般算法结构的数学驱动，手工设计与特定的任务类的数据驱动的适应相结合。这表示从数值分析中的经典方法的偏离，这通常不具有这种基于学习的自适应。作为一个案例研究，我们开发了一种机器学习方法，基于Runge-Kutta（RK）Integrator架构，自动学习用于常用方程式（ODES）形式的初始值问题的有效求解器。通过组合神经网络近似和元学习，我们表明我们可以获得针对目标差分方程系的高阶集成商，而无需手头计算积分器系数。此外，我们证明，在某些情况下，我们可以获得古典RK方法的卓越性能。这可以归因于通过该方法识别和利用ode系列的某些属性。总的来说，这项工作展示了基于学习的基于学习的方法，用于设计差分方程的数值解的算法，一种方法可以容易地扩展到其他数值任务。

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。

Navier-Stokes方程是描述液体和空气等流体运动的重要部分微分方程。由于Navier-Stokes方程的重要性，有效的数值方案的发展对科学和工程师都很重要。最近，随着AI技术的开发，已经设计了几种方法来整合深层神经网络，以模拟和推断不可压缩的Navier-Stokes方程所控制的流体动力学，这些方程可以以无网状和可不同的方式加速模拟或推断过程。在本文中，我们指出，现有的深入Navier-Stokes知情方法的能力仅限于处理非平滑或分数方程，这在现实中是两种关键情况。为此，我们提出了\ emph {深入的随机涡流方法}（drvm），该方法将神经网络与随机涡流动力学系统相结合，等效于Navier-Stokes方程。具体而言，随机涡流动力学激发了用于训练神经网络的基于蒙特卡洛的损失函数，从而避免通过自动差异计算衍生物。因此，DRVM不仅可以有效地求解涉及粗糙路径，非差异初始条件和分数运算符的Navier-Stokes方程，而且还继承了基于深度学习的求解器的无网格和可区分优势。我们对凯奇问题，参数求解器学习以及2-D和3-D不可压缩的Navier-Stokes方程的逆问题进行实验。所提出的方法为Navier-Stokes方程的仿真和推断提供了准确的结果。特别是对于包括奇异初始条件的情况，DRVM明显胜过现有的PINN方法。

科学和工程学中的一个基本问题是设计最佳的控制政策，这些政策将给定的系统转向预期的结果。这项工作提出了同时求解给定系统状态和最佳控制信号的控制物理信息的神经网络（控制PINNS），在符合基础物理定律的一个阶段框架中。先前的方法使用两个阶段的框架，该框架首先建模然后按顺序控制系统。相比之下，控制PINN将所需的最佳条件纳入其体系结构和损耗函数中。通过解决以下开环的最佳控制问题来证明控制PINN的成功：（i）一个分析问题，（ii）一维热方程，以及（iii）二维捕食者捕食者问题。

标准的神经网络可以近似一般的非线性操作员，要么通过数学运算符的组合（例如，在对流 - 扩散反应部分微分方程中）的组合，要么仅仅是黑匣子，例如黑匣子，例如一个系统系统。第一个神经操作员是基于严格的近似理论于2019年提出的深层操作员网络（DeepOnet）。从那时起，已经发布了其他一些较少的一般操作员，例如，基于图神经网络或傅立叶变换。对于黑匣子系统，对神经操作员的培训仅是数据驱动的，但是如果知道管理方程式可以在培训期间将其纳入损失功能，以开发物理知识的神经操作员。神经操作员可以用作设计问题，不确定性量化，自主系统以及几乎任何需要实时推断的应用程序中的代替代物。此外，通过将它们与相对轻的训练耦合，可以将独立的预训练deponets用作复杂多物理系统的组成部分。在这里，我们介绍了Deponet，傅立叶神经操作员和图神经操作员的评论，以及适当的扩展功能扩展，并突出显示它们在计算机械师中的各种应用中的实用性，包括多孔媒体，流体力学和固体机制， 。

机器学习领域的最新进展打开了高性能计算的新时代。机器学习算法在开发复杂问题的准确和成本效益的替代物中的应用已经引起了科学家的主要关注。尽管具有强大的近似功能，但代理人仍无法为问题产生“精确”解决方案。为了解决此问题，本文利用了最新的ML工具，并提供了线性方程系统的自定义迭代求解器，能够在任何所需的准确性级别求解大规模参数化问题。具体而言，建议的方法包括以下两个步骤。首先，进行了一组减少的模型评估集，并使用相应的解决方案用于建立从问题的参数空间到其解决方案空间的近似映射，并使用深层馈电神经网络和卷积自动编码器。该映射是一种手段，可以以微不足道的计算成本来获得对系统对新查询点的响应的非常准确的初始预测。随后，开发了一种受代数多机方法启发的迭代求解器与适当的正交分解（称为pod-2g）相结合的迭代求解器，该迭代求解器被开发为依次完善对确切系统解决方案的初始预测。在大规模系统的几个数值示例中，证明了POD-2G作为独立求解器或作为预处理梯度方法的预处理，结果表明其优于常规迭代溶液方案。

物理信息的神经网络（PINN）已证明是解决部分微分方程（PDE）的前进和反问题的有效工具。 PINN将PDE嵌入神经网络的丢失中，并在一组散射的残留点上评估该PDE损失。这些点的分布对于PINN的性能非常重要。但是，在现有的针对PINN的研究中，仅使用了一些简单的残留点抽样方法。在这里，我们介绍了两类采样的全面研究：非自适应均匀抽样和适应性非均匀抽样。我们考虑了六个均匀的采样，包括（1）稳定的均匀网格，（2）均匀随机采样，（3）拉丁语超立方体采样，（4）Halton序列，（5）Hammersley序列和（6）Sobol序列。我们还考虑了用于均匀抽样的重采样策略。为了提高采样效率和PINN的准确性，我们提出了两种新的基于残余的自适应抽样方法：基于残留的自适应分布（RAD）和基于残留的自适应改进，并具有分布（RAR-D），它们会动态地改善基于训练过程中PDE残差的剩余点。因此，我们总共考虑了10种不同的采样方法，包括6种非自适应均匀抽样，重采样的均匀抽样，两种提议的自适应抽样和现有的自适应抽样。我们广泛测试了这些抽样方法在许多设置中的四个正向问题和两个反问题的性能。我们在本研究中介绍的数值结果总结了6000多个PINN的模拟。我们表明，RAD和RAR-D的提议的自适应采样方法显着提高了PINN的准确性，其残留点较少。在这项研究中获得的结果也可以用作选择抽样方法的实用指南。

尽管在整个科学和工程中都无处不在，但只有少数部分微分方程（PDE）具有分析或封闭形式的解决方案。这激发了有关PDE的数值模拟的大量经典工作，最近，对数据驱动技术的研究旋转了机器学习（ML）。最近的一项工作表明，与机器学习的经典数值技术的混合体可以对任何一种方法提供重大改进。在这项工作中，我们表明，在纳入基于物理学的先验时，数值方案的选择至关重要。我们以基于傅立叶的光谱方法为基础，这些光谱方法比其他数值方案要高得多，以模拟使用平滑且周期性解决方案的PDE。具体而言，我们为流体动力学的三个模型PDE开发了ML增强的光谱求解器，从而提高了标准光谱求解器在相同分辨率下的准确性。我们还展示了一些关键设计原则，用于将机器学习和用于解决PDE的数值方法结合使用。

This paper proposes Friedrichs learning as a novel deep learning methodology that can learn the weak solutions of PDEs via a minmax formulation, which transforms the PDE problem into a minimax optimization problem to identify weak solutions. The name "Friedrichs learning" is for highlighting the close relationship between our learning strategy and Friedrichs theory on symmetric systems of PDEs. The weak solution and the test function in the weak formulation are parameterized as deep neural networks in a mesh-free manner, which are alternately updated to approach the optimal solution networks approximating the weak solution and the optimal test function, respectively. Extensive numerical results indicate that our mesh-free method can provide reasonably good solutions to a wide range of PDEs defined on regular and irregular domains in various dimensions, where classical numerical methods such as finite difference methods and finite element methods may be tedious or difficult to be applied.

Physics-Informed Neural Networks (PINN) are algorithms from deep learning leveraging physical laws by including partial differential equations together with a respective set of boundary and initial conditions as penalty terms into their loss function. In this work, we observe the significant role of correctly weighting the combination of multiple competitive loss functions for training PINNs effectively. To this end, we implement and evaluate different methods aiming at balancing the contributions of multiple terms of the PINNs loss function and their gradients. After reviewing of three existing loss scaling approaches (Learning Rate Annealing, GradNorm and SoftAdapt), we propose a novel self-adaptive loss balancing scheme for PINNs named \emph{ReLoBRaLo} (Relative Loss Balancing with Random Lookback). We extensively evaluate the performance of the aforementioned balancing schemes by solving both forward as well as inverse problems on three benchmark PDEs for PINNs: Burgers' equation, Kirchhoff's plate bending equation and Helmholtz's equation. The results show that ReLoBRaLo is able to consistently outperform the baseline of existing scaling methods in terms of accuracy, while also inducing significantly less computational overhead.

部分微分方程（PDES）在科学和工程的许多学科中都是普遍的，难以解决。通常，PDE的闭合形式溶液不可用，数值近似方法是计算昂贵的。 PDE的参数在许多应用中是可变的，例如逆问题，控制和优化，风险评估和不确定性量化。在这些应用程序中，我们的目标是解决参数PDE而不是其中一个实例。我们所提出的方法，称为元 - 自动解码器（MAD），将参数PDES作为元学习问题求解，并利用\ Cite {Park2019DeepsDF}中的自动解码器结构来处理不同的任务/ PDE。从PDE管理方程和边界条件诱导的物理知识损失被用作不同任务的培训损失。疯狂的目标是学习一个良好的模型初始化，可以概括不同的任务，最终使未能学习的任务能够更快地学习。疯狂的灵感来自于（猜想）参数PDE解决方案的低维结构，并从流形学习的角度解释了我们的方法。最后，我们展示了疯狂的力量，虽然广泛的数值研究，包括汉堡等式，拉普尔斯方程和时域麦克斯韦方程。与其他深度学习方法相比，MAD表现出更快的收敛速度而不会失去准确性。