我们为深度残留网络（RESNETS）提出了一种全球收敛的多级训练方法。设计的方法可以看作是递归多级信任区域（RMTR）方法的新型变体，该方法通过在训练过程中自适应调节迷你批量，在混合（随机确定性）设置中运行。多级层次结构和传输运算符是通过利用动力学系统的观点来构建的，该观点通过重新连接来解释远期传播作为对初始值问题的正向Euler离散化。与传统的培训方法相反，我们的新型RMTR方法还通过有限的内存SR1方法结合了有关多级层次结构各个级别的曲率信息。使用分类和回归领域的示例，对我们的多级训练方法的总体性能和收敛属性进行了数值研究。

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.

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.

近期在应用于培训深度神经网络和数据分析中的其他优化问题中的非凸优化的优化算法的兴趣增加，我们概述了最近对非凸优化优化算法的全球性能保证的理论结果。我们从古典参数开始，显示一般非凸面问题无法在合理的时间内有效地解决。然后，我们提供了一个问题列表，可以通过利用问题的结构来有效地找到全球最小化器，因为可能的问题。处理非凸性的另一种方法是放宽目标，从找到全局最小，以找到静止点或局部最小值。对于该设置，我们首先为确定性一阶方法的收敛速率提出了已知结果，然后是最佳随机和随机梯度方案的一般理论分析，以及随机第一阶方法的概述。之后，我们讨论了非常一般的非凸面问题，例如最小化$ \ alpha $ -weakly-are-convex功能和满足Polyak-lojasiewicz条件的功能，这仍然允许获得一阶的理论融合保证方法。然后，我们考虑更高阶和零序/衍生物的方法及其收敛速率，以获得非凸优化问题。

神经运营商最近成为设计神经网络形式的功能空间之间的解决方案映射的流行工具。不同地，从经典的科学机器学习方法，以固定分辨率为输入参数的单个实例学习参数，神经运算符近似PDE系列的解决方案图。尽管他们取得了成功，但是神经运营商的用途迄今为止仅限于相对浅的神经网络，并限制了学习隐藏的管理法律。在这项工作中，我们提出了一种新颖的非局部神经运营商，我们将其称为非本体内核网络（NKN），即独立的分辨率，其特征在于深度神经网络，并且能够处理各种任务，例如学习管理方程和分类图片。我们的NKN源于神经网络的解释，作为离散的非局部扩散反应方程，在无限层的极限中，相当于抛物线非局部方程，其稳定性通过非本种载体微积分分析。与整体形式的神经运算符相似允许NKN捕获特征空间中的远程依赖性，而节点到节点交互的持续处理使NKNS分辨率独立于NKNS分辨率。与神经杂物中的相似性，在非本体意义上重新解释，并且层之间的稳定网络动态允许NKN的最佳参数从浅到深网络中的概括。这一事实使得能够使用浅层初始化技术。我们的测试表明，NKNS在学习管理方程和图像分类任务中占据基线方法，并概括到不同的分辨率和深度。

深度学习在广泛的AI应用方面取得了有希望的结果。较大的数据集和模型一致地产生更好的性能。但是，我们一般花费更长的培训时间，以更多的计算和沟通。在本调查中，我们的目标是在模型精度和模型效率方面提供关于大规模深度学习优化的清晰草图。我们调查最常用于优化的算法，详细阐述了大批量培训中出现的泛化差距的可辩论主题，并审查了解决通信开销并减少内存足迹的SOTA策略。

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。

We propose an efficient method for approximating natural gradient descent in neural networks which we call Kronecker-factored Approximate Curvature (K-FAC). K-FAC is based on an efficiently invertible approximation of a neural network's Fisher information matrix which is neither diagonal nor low-rank, and in some cases is completely non-sparse. It is derived by approximating various large blocks of the Fisher (corresponding to entire layers) as being the Kronecker product of two much smaller matrices. While only several times more expensive to compute than the plain stochastic gradient, the updates produced by K-FAC make much more progress optimizing the objective, which results in an algorithm that can be much faster than stochastic gradient descent with momentum in practice. And unlike some previously proposed approximate natural-gradient/Newton methods which use high-quality non-diagonal curvature matrices (such as Hessian-free optimization), K-FAC works very well in highly stochastic optimization regimes. This is because the cost of storing and inverting K-FAC's approximation to the curvature matrix does not depend on the amount of data used to estimate it, which is a feature typically associated only with diagonal or low-rank approximations to the curvature matrix.

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。

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。

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。

We propose a simultaneous learning and pruning algorithm capable of identifying and eliminating irrelevant structures in a neural network during the early stages of training. Thus, the computational cost of subsequent training iterations, besides that of inference, is considerably reduced. Our method, based on variational inference principles using Gaussian scale mixture priors on neural network weights, learns the variational posterior distribution of Bernoulli random variables multiplying the units/filters similarly to adaptive dropout. Our algorithm, ensures that the Bernoulli parameters practically converge to either 0 or 1, establishing a deterministic final network. We analytically derive a novel hyper-prior distribution over the prior parameters that is crucial for their optimal selection and leads to consistent pruning levels and prediction accuracy regardless of weight initialization or the size of the starting network. We prove the convergence properties of our algorithm establishing theoretical and practical pruning conditions. We evaluate the proposed algorithm on the MNIST and CIFAR-10 data sets and the commonly used fully connected and convolutional LeNet and VGG16 architectures. The simulations show that our method achieves pruning levels on par with state-of the-art methods for structured pruning, while maintaining better test-accuracy and more importantly in a manner robust with respect to network initialization and initial size.

鉴于Vanilla SGD的直接简单，本文在迷你批处理箱中提供了精细调整其阶梯尺寸。为了这样做，基于局部二次模型并仅使用嘈杂的梯度近似来估计曲率。一个人获得一种新的随机第一阶方法（步骤调谐的SGD），由二阶信息增强，这可以被视为古典Barzilai-Borwein方法的随机版本。我们的理论结果确保了几乎肯定的趋同集，我们提供了收敛速率。深度剩余网络培训的实验说明了我们方法的有利性质。对于我们在培训期间观察到的网络，突然下降的损失和中等阶段的测试精度的提高，产生比SGD，RMSPROP或ADAM更好的结果。

在本文中，我们考虑了第一和二阶技术来解决机器学习中产生的连续优化问题。在一阶案例中，我们提出了一种从确定性或半确定性到随机二次正则化方法的转换框架。我们利用随机优化的两相性质提出了一种具有自适应采样和自适应步长的新型一阶算法。在二阶案例中，我们提出了一种新型随机阻尼L-BFGS方法，该方法可以在深度学习的高度非凸起背景下提高先前的算法。这两种算法都在众所周知的深度学习数据集上进行评估并表现出有希望的性能。

基于梯度的残差训练的方法（RESNET）通常需要输入数据的前进通过，然后将误差梯度反向传播到更新模型参数，这变得耗费网络变得更深。为了破坏前向和向后模式的算法锁定和利用同步模块并行性，辅助变量方法最近吸引了很多兴趣，但遭受了重大的沟通开销和缺乏数据增强。在这项工作中，通过交易外部辅助变量的存储和重新计算，建立了一种用于跨多个计算设备训练现实Resnet的新颖联合学习框架。更具体地，每个独立处理器的输入数据是从其低容量辅助网络（AUXNET）生成的，这允许使用数据增强并实现前向解锁。然后并行地执行后向通过，每个丢失函数源自惩罚或增强拉格朗日（AL）方法。最后，采用所提出的AUXNET通过端到端培训过程重现更新的辅助变量。我们展示了我们在CIFAR-10，CIFAR-100和Imagenet数据集中展示了我们对RESNET和WIMERESNET的效果，实现了传统的层串行训练方法的加速，同时保持了可比的测试精度。

我们引入了一种降低尺寸的二阶方法（DRSOM），用于凸和非凸的不受约束优化。在类似信任区域的框架下，我们的方法保留了二阶方法的收敛性，同时仅在两个方向上使用Hessian-Vector产品。此外，计算开销仍然与一阶相当，例如梯度下降方法。我们证明该方法的复杂性为$ O（\ epsilon^{ - 3/2}）$，以满足子空间中的一阶和二阶条件。DRSOM的适用性和性能通过逻辑回归，$ L_2-L_P $最小化，传感器网络定位和神经网络培训的各种计算实验展示。对于神经网络，我们的初步实施似乎在训练准确性和迭代复杂性方面与包括SGD和ADAM在内的最先进的一阶方法获得了计算优势。

这项调查的目的是介绍对深神经网络的近似特性的解释性回顾。具体而言，我们旨在了解深神经网络如何以及为什么要优于其他经典线性和非线性近似方法。这项调查包括三章。在第1章中，我们回顾了深层网络及其组成非线性结构的关键思想和概念。我们通过在解决回归和分类问题时将其作为优化问题来形式化神经网络问题。我们简要讨论用于解决优化问题的随机梯度下降算法以及用于解决优化问题的后传播公式，并解决了与神经网络性能相关的一些问题，包括选择激活功能，成本功能，过度适应问题和正则化。在第2章中，我们将重点转移到神经网络的近似理论上。我们首先介绍多项式近似中的密度概念，尤其是研究实现连续函数的Stone-WeierStrass定理。然后，在线性近似的框架内，我们回顾了馈电网络的密度和收敛速率的一些经典结果，然后在近似Sobolev函数中进行有关深网络复杂性的最新发展。在第3章中，利用非线性近似理论，我们进一步详细介绍了深度和近似网络与其他经典非线性近似方法相比的近似优势。

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， 。

罕见事件计算研究中的一个中心对象是委员会函数。尽管计算成本高昂，但委员会功能编码涉及罕见事件的过程的完整机械信息，包括反应率和过渡状态合奏。在过渡路径理论（TPT）的框架下，最近的工作[1]提出了一种算法，其中反馈回路融合了一个神经网络，该神经网络将委员会功能建模为重要性采样，主要是伞形采样，该摘要收集了自适应训练所需的数据。在这项工作中，我们显示需要进行其他修改以提高算法的准确性。第一个修改增加了监督学习的要素，这使神经网络通过拟合从短分子动力学轨迹获得的委员会值的样本均值估计来改善其预测。第二个修改用有限的温度字符串（FTS）方法代替了基于委员会的伞采样，该方法可以在过渡途径的区域中进行均匀抽样。我们测试了具有非凸电势能的低维系统的修改，可以通过分析或有限元方法找到参考解决方案，并显示如何将监督学习和FTS方法组合在一起，从而准确地计算了委员会功能和反应速率。我们还为使用FTS方法的算法提供了错误分析，使用少数样品在训练过程中可以准确估算反应速率。然后将这些方法应用于未知参考溶液的分子系统，其中仍然可以获得委员会功能和反应速率的准确计算。

我们研究了使用尖刺，现场依赖的随机矩阵理论研究迷你批次对深神经网络损失景观的影响。我们表明，批量黑森州的极值值的大小大于经验丰富的黑森州。我们还获得了类似的结果对Hessian的概括高斯牛顿矩阵近似。由于我们的定理，我们推导出作为批量大小的最大学习速率的分析表达式，为随机梯度下降（线性缩放）和自适应算法（例如ADAM（Square Root Scaling）提供了通知实际培训方案，例如光滑，非凸深神经网络。虽然随机梯度下降的线性缩放是在我们概括的更多限制性条件下导出的，但是适应优化者的平方根缩放规则是我们的知识，完全小说。随机二阶方法和自适应方法的百分比，我们得出了最小阻尼系数与学习率与批量尺寸的比率成比例。我们在Cifar-$ 100 $和ImageNet数据集上验证了我们的VGG / WimerEsnet架构上的索赔。根据我们对象检的调查，我们基于飞行学习率和动量学习者开发了一个随机兰齐齐竞争，这避免了对这些关键的超参数进行昂贵的多重评估的需求，并在预残留的情况下显示出良好的初步结果Cifar的architecure - $ 100 $。