功能空间中的监督学习是机器学习研究的一个新兴领域，并应用了复杂物理系统（例如流体流，固体力学和气候建模）的预测。通过直接学习无限尺寸函数空间之间的地图（运算符），这些模型能够学习目标函数的离散不变表示。一种常见的方法是将此类目标函数表示为从数据中学到的基础元素的线性组合。但是，在一个简单的方案中，即使目标函数形成低维的子手机，也需要大量的基础元素才能进行准确的线性表示。在这里，我们提出了Nomad，这是一个新型的操作员学习框架，该框架具有一个非线性解码器图，能够学习功能空间中非线性子手机的有限尺寸表示。我们表明，该方法能够准确地学习溶液歧管的低维表示，而偏微分方程的表现优于较大尺寸的线性模型。此外，我们将最先进的操作员学习方法进行比较，并在复杂的流体动力学基准上进行学习，并以明显较小的模型尺寸和训练成本实现竞争性能。
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监督运营商学习是一种新兴机器学习范例，用于建模时空动态系统的演变和近似功能数据之间的一般黑盒关系的应用。我们提出了一种新颖的操作员学习方法，LOCA（学习操作员耦合注意力），激励了最近的注意机制的成功。在我们的体系结构中，输入函数被映射到有限的一组特征，然后按照依赖于输出查询位置的注意重量平均。通过将这些注意重量与积分变换一起耦合，LOCA能够明确地学习目标输出功能中的相关性，使我们能够近似非线性运算符，即使训练集测量中的输出功能的数量非常小。我们的配方伴随着拟议模型的普遍表现力的严格近似理论保证。经验上，我们在涉及普通和部分微分方程的系统管理的若干操作员学习场景中，评估LOCA的表现，以及黑盒气候预测问题。通过这些场景，我们展示了最先进的准确性，对噪声输入数据的鲁棒性以及在测试数据集上始终如一的错误传播，即使对于分发超出预测任务。
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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。
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在本文中，我们提出了一种深度学习技术，用于数据驱动的流体介质中波传播的预测。该技术依赖于基于注意力的卷积复发自动编码器网络（AB-CRAN）。为了构建波传播数据的低维表示，我们采用了基于转化的卷积自动编码器。具有基于注意力的长期短期记忆细胞的AB-CRAN体系结构构成了我们的深度神经网络模型，用于游行低维特征的时间。我们评估了针对标准复发性神经网络的拟议的AB-Cran框架，用于波传播的低维学习。为了证明AB-Cran模型的有效性，我们考虑了三个基准问题，即一维线性对流，非线性粘性汉堡方程和二维圣人浅水系统。我们的新型AB-CRAN结构使用基准问题的空间 - 时空数据集，可以准确捕获波幅度，并在长期范围内保留溶液的波特性。与具有长期短期记忆细胞的标准复发性神经网络相比，基于注意力的序列到序列网络增加了预测的时间莫。 Denoising自动编码器进一步减少了预测的平方平方误差，并提高了参数空间中的概括能力。
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无限尺寸空间之间的学习运营商是机器学习，成像科学，数学建模和仿真等广泛应用中出现的重要学习任务。本文研究了利用深神经网络的Lipschitz运营商的非参数估计。 Non-asymptotic upper bounds are derived for the generalization error of the empirical risk minimizer over a properly chosen network class.在假设目标操作员表现出低维结构的情况下，由于训练样本大小增加，我们的误差界限衰减，根据我们估计中的内在尺寸，具有吸引力的快速速度。我们的假设涵盖了实际应用中的大多数情况，我们的结果通过利用操作员估算中的低维结构来产生快速速率。我们还研究了网络结构（例如，网络宽度，深度和稀疏性）对神经网络估计器的泛化误差的影响，并提出了对网络结构的选择来定量地最大化学习效率的一般建议。
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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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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， 。
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高维时空动力学通常可以在低维子空间中编码。用于建模，表征，设计和控制此类大规模系统的工程应用通常依赖于降低尺寸，以实时计算解决方案。降低维度的常见范例包括线性方法，例如奇异值分解（SVD）和非线性方法，例如卷积自动编码器（CAE）的变体。但是，这些编码技术缺乏有效地表示与时空数据相关的复杂性的能力，后者通常需要可变的几何形状，非均匀的网格分辨率，自适应网格化和/或参数依赖性。为了解决这些实用的工程挑战，我们提出了一个称为神经隐式流（NIF）的一般框架，该框架可以实现大型，参数，时空数据的网格不稳定，低级别表示。 NIF由两个修改的多层感知器（MLP）组成：（i）shapenet，它分离并代表空间复杂性，以及（ii）参数，该参数解释了任何其他输入复杂性，包括参数依赖关系，时间和传感器测量值。我们演示了NIF用于参数替代建模的实用性，从而实现了复杂时空动力学的可解释表示和压缩，有效的多空间质量任务以及改善了稀疏重建的通用性能。
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在本文中，我们在关注最先进的变压器中应用自我关注，这是第一次需要与部分微分方程相关的数据驱动的操作员学习问题。努力放在一起解释启发式，提高注意机制的功效。通过在希尔伯特空间中采用操作员近似理论，首次证明了Softmax归一化在缩放的点产品中的关注中足够但没有必要。在没有软墨中的情况下，可以证明线性化变换器变型的近似容量与Petrov-Galerkin投影层 - 明智相当，并且估计是相对于序列长度的独立性。提出了一种模仿Petrov-Galerkin投影的新层归一化方案，以允许缩放通过注意层传播，这有助于模型在具有非通信数据的操作员学习任务中实现显着准确性。最后，我们展示了三个操作员学习实验，包括粘虫汉堡方程，接口达西流程，以及逆接口系数识别问题。新提出的简单关注的算子学习者Galerkin变压器，在Softmax归一化的同行中，培训成本和评估准确性都显示出显着的改进。
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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.
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众所周知，混乱的系统对预测的挑战是挑战，因为它们对时间的敏感性和由于阶梯时间而引起的错误和错误。尽管这种不可预测的行为，但对于许多耗散系统，长期轨迹的统计数据仍受到一套被称为全球吸引子的不变措施的管辖。对于许多问题，即使状态空间是无限的维度，该集合是有限维度的。对于马尔可夫系统，长期轨迹的统计特性由解决方案操作员唯一确定，该解决方案操作员将系统的演变映射到任意正时间增量上。在这项工作中，我们提出了一个机器学习框架，以学习耗散混沌系统的基础解决方案操作员，这表明所得的学习操作员准确地捕获了短期轨迹和长期统计行为。使用此框架，我们能够预测湍流Kolmogorov流动动力学的各种统计数据，雷诺数为5000。
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运营商网络已成为有希望的深度学习工具，用于近似偏微分方程（PDE）的解决方案。这些网络绘制了描述材料属性，迫使函数和边界数据的输入函数到PDE解决方案。这项工作描述了一种针对操作员网络的新体系结构，该架构模仿了从问题的变异公式或弱公式中获得的数值解决方案的形式。这些想法在通用椭圆的PDE中的应用导致变异模拟操作员网络（Varmion）。像常规的深层操作员网络（DeepOnet）一样，Varmion也由一个子网络组成，该子网络构建了输出的基础函数，另一个构造了这些基础函数系数的基本功能。但是，与deponet相反，在Varmion中，这些网络的体系结构是精确确定的。对Varmion解决方案中误差的分析表明，它包含训练数据中的误差，训练错误，抽样输入中的正交误差和输出功能的贡献，以及测量测试输入功能之间距离的“覆盖错误”以及培训数据集中最近的功能。这也取决于确切网络及其varmion近似的稳定性常数。 Varmion在规范椭圆形PDE中的应用表明，对于大约相同数量的网络参数，平均而言，Varmion的误差比标准DeepOnet较小。此外，其性能对于输入函数的变化，用于采样输入和输出功能的技术，用于构建基本函数的技术以及输入函数的数量更为强大。
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神经操作员是科学机器学习中一种流行的技术，可以从数据中学习未知物理系统行为的数学模型。当数值求解器不可用或对基础物理学的理解不佳时，神经运算符对于学习与局部微分方程（PDE）相关的解决方案运算符特别有用。在这项工作中，我们试图提供理论基础，以了解学习时间依赖性PDE所需的培训数据量。从任何空间尺寸$ n \ geq 1 $中的抛物线PDE中给定输入输出对，我们得出了学习相关解决方案运算符的第一个理论上严格的方案，该方案采取了带有绿色功能$ g $的卷积的形式。到目前为止，严格学习与时间相关PDE相关的Green的功能一直是科学机器学习领域的主要挑战。通过将$ g $的层次低级结构与随机数字线性代数结合在一起，我们构建了$ g $的近似值，该$ g $实现了$ \ smash {\ smash {\ smashcal {\ mathcal {o}（\ gamma_ \ epsilon^epsilon^{ - 1/2} \ epsilon）}} $在$ l^1 $ -NORM中具有高概率，最多可以使用$ \ smash {\ MathCal {\ Mathcal {o}（\ Epsilon^{ - \ frac {n+2} {2} {2} {2} {2} {2} {2} } \ log（1/\ epsilon））}} $输入输出培训对，其中$ \ gamma_ \ epsilon $是衡量学习$ g $的培训数据集质量的量度，而$ \ epsilon> 0 $就足够了小的。
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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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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。
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我们提出了一种从有限的训练数据学习高维参数映射的解析替代框架。在许多需要重复查询复杂计算模型的许多应用中出现了对参数代理的需求。这些应用包括贝叶斯逆问题，最佳实验设计和不确定度的最佳设计和控制等“外环”问题，以及实时推理和控制问题。许多高维参数映射承认低维结构，这可以通过映射信息的输入和输出的绘图信息的减少基础来利用。利用此属性，我们通过自适应地构造其输入和输出的缩小基础之间的Reset近似来制定用于学习这些地图的低维度近似的框架。最近的近似近似理论作为控制流的离散化，我们证明了我们所提出的自适应投影Reset框架的普遍近似性，这激励了Resnet构造的相关迭代算法。该策略代表了近似理论和算法的汇合，因为两者都使用顺序最小化流量。在数值例子中，我们表明，在训练数据少量的培训数据中，能够实现显着高精度，使其能够实现培训数据生成的最小计算投资的理想代理策略。
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光谱方法是求解部分微分方程（PDE）的科学计算的武器的重要组成部分。然而，它们的适用性和有效性在很大程度上取决于用于扩展PDE溶液的基础函数的选择。过去十年已经看到，在提供复杂职能的有效陈述方面，深入学习的出现是强烈的竞争者。在目前的工作中，我们提出了一种用谱方法结合深神经网络来解决PDE的方法。特别是，我们使用称为深度操作系统网络（DeepOnet）的深度学习技术，以识别扩展PDE解决方案的候选功能。我们已经设计了一种方法，该方法使用DeepOnet提供的候选功能作为构建具有以下属性的一组功能的起点：i）它们构成基础，2）它们是正常的，3）它们是等级的，类似于傅里叶系列或正交多项式。我们利用了我们定制的基础函数的有利属性，以研究其近似能力，并使用它们来扩展线性和非线性时间依赖性PDE的解决方案。
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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。
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我们开发了包含几何信息和拓扑信息的数据驱动方法，以从观察值中学习非线性动力学的简约表示。我们开发了使用与变异自动编码器（VAE）相关的训练策略来学习一般歧管潜在空间动力学的非线性状态空间模型的方法。我们的方法称为几何动力学（GD）变化自动编码器（GD-VAE）。我们根据包括一般多层感知器（MLP），卷积神经网络（CNNS）和转置CNN（T-CNN）在内的深层神经网络体系结构学习系统状态和进化的编码器和分解器。由参数化的PDE和物理学引起的问题的促进，我们研究了我们在学习非线性汉堡方程，约束机械系统和反应扩散系统的空间场的低维表示任务方面的性能。 GD-VAE提供了用于获取表示涉及动态任务的表示形式的方法。
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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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