我们考虑从高噪声限制的时间序列数据中控制方程的数据驱动发现。该算法开发描述了在非线性动力学（SINDY）框架的稀疏识别的背景下避免噪声的广泛影响的方法的广泛工具包。我们提供了两个主要贡献，都集中在系统x'= f（x）中获取的嘈杂数据。首先，我们提出用于高噪声设置的广泛工具包，这是一个批判性的回归方法的扩展，从完整的库中逐步剔除剔除功能，并产生一组稀疏方程，其回归到衍生x' 。这些创新可以从高噪声时间序列数据中提取稀疏控制方程和系数（例如，增加噪声300％）。例如，它发现洛伦茨系统中的正确稀疏文库，中值系数估计误差等于1％ - 3％（50％噪声），6％ - 8％（100％噪声）;和23％ - 25％（噪音300％）。工具包中的启用模块组合成单个方法，但各个模块可以在其他方程发现方法（Sindy或不）中进行战术，以改善高噪声数据的结果。其次，我们提出了一种技术，适用于基于X'= F（X）的任何模型发现方法，以评估由于噪声数据而在非唯一解决方案的上下文中发现模型的准确性。目前，这种非唯一性可以模糊发现模型的准确性，从而造成发现方法的有效性。我们描述了一种使用线性依赖性的技术，该技术将发现的模型转换为最接近真实模型的等效形式，从而能够更准确地评估发现的模型的准确性。

PDE发现显示了揭示复杂物理系统的预测模型，但在测量稀疏和嘈杂时难以困难。我们介绍了一种新方法，用于PDE发现，它使用两个合理的神经网络和原始的稀疏回归算法来识别管理系统响应的隐藏动态。第一网络了解系统响应函数，而第二个网络了解一个驱动系统演进的隐藏PDE。然后，我们使用无参数稀疏回归算法从第二网络中提取隐藏PDE的人类可读形式。我们在名为PDE-读取的开源库中实现了我们的方法。我们的方法成功地识别了热，汉堡和KorteDeg-de Vries方程，具有显着的一致性。我们表明，我们的方法对稀疏性和噪音都是前所未有的强大，因此适用于现实世界的观察数据。

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。

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。

Data-driven identification of differential equations is an interesting but challenging problem, especially when the given data are corrupted by noise. When the governing differential equation is a linear combination of various differential terms, the identification problem can be formulated as solving a linear system, with the feature matrix consisting of linear and nonlinear terms multiplied by a coefficient vector. This product is equal to the time derivative term, and thus generates dynamical behaviors. The goal is to identify the correct terms that form the equation to capture the dynamics of the given data. We propose a general and robust framework to recover differential equations using a weak formulation, for both ordinary and partial differential equations (ODEs and PDEs). The weak formulation facilitates an efficient and robust way to handle noise. For a robust recovery against noise and the choice of hyper-parameters, we introduce two new mechanisms, narrow-fit and trimming, for the coefficient support and value recovery, respectively. For each sparsity level, Subspace Pursuit is utilized to find an initial set of support from the large dictionary. Then, we focus on highly dynamic regions (rows of the feature matrix), and error normalize the feature matrix in the narrow-fit step. The support is further updated via trimming of the terms that contribute the least. Finally, the support set of features with the smallest Cross-Validation error is chosen as the result. A comprehensive set of numerical experiments are presented for both systems of ODEs and PDEs with various noise levels. The proposed method gives a robust recovery of the coefficients, and a significant denoising effect which can handle up to $100\%$ noise-to-signal ratio for some equations. We compare the proposed method with several state-of-the-art algorithms for the recovery of differential equations.

这项工作与发现物理系统的偏微分方程（PDE）有关。现有方法证明了有限观察结果的PDE识别，但未能保持令人满意的噪声性能，部分原因是由于次优估计衍生物并发现了PDE系数。我们通过引入噪音吸引物理学的机器学习（NPIML）框架来解决问题，以在任意分布后从数据中发现管理PDE。我们的建议是双重的。首先，我们提出了几个神经网络，即求解器和预选者，这些神经网络对隐藏的物理约束产生了可解释的神经表示。在经过联合训练之后，求解器网络将近似潜在的候选物，例如部分衍生物，然后将其馈送到稀疏的回归算法中，该算法最初公布了最有可能的PERSIMISIAL PDE，根据信息标准决定。其次，我们提出了基于离散的傅立叶变换（DFT）的Denoising物理信息信息网络（DPINNS），以提供一组最佳的鉴定PDE系数，以符合降低降噪变量。 Denoising Pinns的结构被划分为前沿投影网络和PINN，以前学到的求解器初始化。我们对五个规范PDE的广泛实验确认，该拟议框架为PDE发现提供了一种可靠，可解释的方法，适用于广泛的系统，可能会因噪声而复杂。

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。

在本文中，我们考虑了与未知（或部分未知），非平稳性，潜在的嘈杂和混乱的时间演变相关的机器学习（ML）任务，以预测临界点过渡和长期尖端行为动力系统。我们专注于特别具有挑战性的情况，在过去的情况下，过去的动态状态时间序列主要是在状态空间的受限区域中，而要预测的行为会在ML未完全观察到的较大状态空间集中演变出来训练期间的模型。在这种情况下，要求ML预测系统能够推断出在训练过程中观察到的不同动态。我们研究了ML方法在多大程度上能够为此任务完成有用的结果以及它们失败的条件。通常，我们发现即使在极具挑战性的情况下，ML方法也出奇地有效，但是（正如人们所期望的）``需要``太多''的外推。基于科学知识的传统建模的ML方法，因此即使单独采取行动时，我们发现的混合预测系统也可以实现有用的预测。我们还发现，实现有用的结果可能需要使用使用非常仔细选择的ML超参数，我们提出了一个超参数优化策略来解决此问题。本文的主要结论是，基于ML （也许是由于临界点的穿越）包括在训练数据探索的集合中的动态。

在仅给定国家的数据随着时间的推移数据时，确定系统的基本动力学的问题已经挑战了科学家数十年来的挑战。在本文中，介绍了使用机器学习对相位空间变量的{\ em更新}进行建模的方法；这是作为相空间变量的函数完成的。 （更一般而言，建模是在变量的射流空间上进行的。）该方法被证明可以准确地复制谐波振荡器，摆和Duffing振荡器的示例的动力学；在每个示例中，还可以准确恢复基础微分方程。另外，结果绝不取决于如何随时间（即定期或不规则）对数据进行采样。证明这种方法（称为“ FJET”）类似于runge-kutta（RK）数值集成方案的泰勒级数扩展产生的模型。这个类比赋予了明确揭示在建模中使用的适当功能的优势，并揭示了更新的误差估计。因此，可以将这种新方法视为通过机器学习来确定RK方案系数的一种方式。最后，在未阻尼的谐波振荡器示例中显示，更新的稳定性稳定，$ 10^9美元的$ 10^9美元的稳定性比$ 4 $ ther-ther-ther-ther-tord RK稳定。

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。

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。

动态系统参见在物理，生物学，化学等自然科学中广泛使用，以及电路分析，计算流体动力学和控制等工程学科。对于简单的系统，可以通过应用基本物理法来导出管理动态的微分方程。然而，对于更复杂的系统，这种方法变得非常困难。数据驱动建模是一种替代范式，可以使用真实系统的观察来了解系统的动态的近似值。近年来，对数据驱动的建模技术的兴趣增加，特别是神经网络已被证明提供了解决广泛任务的有效框架。本文提供了使用神经网络构建动态系统模型的不同方式的调查。除了基础概述外，我们还审查了相关的文献，概述了这些建模范式必须克服的数值模拟中最重要的挑战。根据审查的文献和确定的挑战，我们提供了关于有前途的研究领域的讨论。

非线性动态系统的识别仍然是整个工程的重大挑战。这项工作提出了一种基于贝叶斯过滤的方法，以提取和确定系统中未知的非线性项的贡献，可以将其视为恢复力表面类型方法的替代观点。为了实现这种识别，最初将非线性恢复力的贡献作为高斯过程建模。该高斯过程将转换为状态空间模型，并与系统的线性动态组件结合使用。然后，通过推断过滤和平滑分布，可以提取系统的内部状态和非线性恢复力。在这些状态下，可以构建非线性模型。在模拟案例研究和实验基准数据集中，该方法被证明是有效的。

如果机器人曾经实现与动物所展示的机器人相当的自动运动，则它们必须获得在损害，故障或环境条件下快速恢复运动行为的能力，从而损害了其有效移动的能力。我们提出了一种方法，该方法使我们的机器人和模拟机器人能够在几十次尝试中恢复自由运动行为的高度。我们的方法采用行为规范，以等级的差异约束来表达所需的行为。我们展示了如何通过编码模板来考虑这些约束，从而产生了将先前优化的行为推广到新情况下以快速学习的形式概括的秘诀。我们进一步说明，在数据驱动的上下文中，足够的限制通常很容易确定。作为例证，我们证明了我们在物理7 DOF六型六杆元机器人上的恢复方法，以及对6 DOF 2D运动机制的模拟。在这两种情况下，我们恢复了与先前优化的运动在功能上无法区分的行为。

在许多科学领域中发现一个有意义的，尺寸同质的，象征性的表达是一个基本挑战。我们提出了一个新颖的开源计算框架，称为科学家机器方程探测器（Scimed），该框架将科学纪律智慧与科学家在循环的方法中融合在一起，并将其与最先进的符号回归（SR）方法相结合。Scimed将基于遗传算法的包装器选择方法与自动机器学习和两个SR方法结合在一起。我们对具有和没有非线性空气动力学阻力的球体沉降的四个配置进行了测试。我们表明，疲惫不堪的人足够坚固，可以从嘈杂的数据中发现正确的物理有意义的符号表达式。我们的结果表明，与最先进的SR软件包相比，这些任务的性能更好。

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。

我们介绍了数据科学预测生命周期中各个阶段开发和采用自动化的技术和文化挑战的说明概述，从而将重点限制为使用结构化数据集的监督学习。此外，我们回顾了流行的开源Python工具，这些工具实施了针对自动化挑战的通用解决方案模式，并突出了我们认为进步仍然需要的差距。

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。

In this work we study the asymptotic consistency of the weak-form sparse identification of nonlinear dynamics algorithm (WSINDy) in the identification of differential equations from noisy samples of solutions. We prove that the WSINDy estimator is unconditionally asymptotically consistent for a wide class of models which includes the Navier-Stokes equations and the Kuramoto-Sivashinsky equation. We thus provide a mathematically rigorous explanation for the observed robustness to noise of weak-form equation learning. Conversely, we also show that in general the WSINDy estimator is only conditionally asymptotically consistent, yielding discovery of spurious terms with probability one if the noise level is above some critical threshold and the nonlinearities exhibit sufficiently fast growth. We derive explicit bounds on the critical noise threshold in the case of Gaussian white noise and provide an explicit characterization of these spurious terms in the case of trigonometric and/or polynomial model nonlinearities. However, a silver lining to this negative result is that if the data is suitably denoised (a simple moving average filter is sufficient), then we recover unconditional asymptotic consistency on the class of models with locally-Lipschitz nonlinearities. Altogether, our results reveal several important aspects of weak-form equation learning which may be used to improve future algorithms. We demonstrate our results numerically using the Lorenz system, the cubic oscillator, a viscous Burgers growth model, and a Kuramoto-Sivashinsky-type higher-order PDE.

预测组合在预测社区中蓬勃发展，近年来，已经成为预测研究和活动主流的一部分。现在，由单个（目标）系列产生的多个预测组合通过整合来自不同来源收集的信息，从而提高准确性，从而减轻了识别单个“最佳”预测的风险。组合方案已从没有估计的简单组合方法演变为涉及时间变化的权重，非线性组合，组件之间的相关性和交叉学习的复杂方法。它们包括结合点预测和结合概率预测。本文提供了有关预测组合的广泛文献的最新评论，并参考可用的开源软件实施。我们讨论了各种方法的潜在和局限性，并突出了这些思想如何随着时间的推移而发展。还调查了有关预测组合实用性的一些重要问题。最后，我们以当前的研究差距和未来研究的潜在见解得出结论。