In this work, we study the numerical solution of inverse eigenvalue problems from a machine learning perspective. Two different problems are considered: the inverse Strum-Liouville eigenvalue problem for symmetric potentials and the inverse transmission eigenvalue problem for spherically symmetric refractive indices. Firstly, we solve the corresponding direct problems to produce the required eigenvalues datasets in order to train the machine learning algorithms. Next, we consider several examples of inverse problems and compare the performance of each model to predict the unknown potentials and refractive indices respectively, from a given small set of the lowest eigenvalues. The supervised regression models we use are k-Nearest Neighbours, Random Forests and Multi-Layer Perceptron. Our experiments show that these machine learning methods, under appropriate tuning on their parameters, can numerically solve the examined inverse eigenvalue problems.

Helmholtz方程已被用于在谐波负载下建模声压场。通过求解Helmholtz方程计算谐波声压场，如果想要研究许多不同的几何形状，可以迅速变得不可行，以便频率范围。我们提出了一种机器学习方法，即前馈密集神经网络，用于在频率范围内计算平均声压。通过数值计算平均声压的响应，通过对压力的特征模分分解来产生数据。我们分析近似的准确性，并确定需要多少训练数据，以便在平均压力响应的预测中达到一定的准确性。

天然气管道中的泄漏检测是石油和天然气行业的一个重要且持续的问题。这尤其重要，因为管道是运输天然气的最常见方法。这项研究旨在研究数据驱动的智能模型使用基本操作参数检测天然气管道的小泄漏的能力，然后使用现有的性能指标比较智能模型。该项目应用观察者设计技术，使用回归分类层次模型来检测天然气管道中的泄漏，其中智能模型充当回归器，并且修改后的逻辑回归模型充当分类器。该项目使用四个星期的管道数据流研究了五个智能模型（梯度提升，决策树，随机森林，支持向量机和人工神经网络）。结果表明，虽然支持向量机和人工神经网络比其他网络更好，但由于其内部复杂性和所使用的数据量，它们并未提供最佳的泄漏检测结果。随机森林和决策树模型是最敏感的，因为它们可以在大约2小时内检测到标称流量的0.1％的泄漏。所有智能模型在测试阶段中具有高可靠性，错误警报率为零。将所有智能模型泄漏检测的平均时间与文献中的实时短暂模型进行了比较。结果表明，智能模型在泄漏检测问题中的表现相对较好。该结果表明，可以与实时瞬态模型一起使用智能模型，以显着改善泄漏检测结果。

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.

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。

许多物理系统由普通的或部分微分方程描述，其解决方案由复杂域中的全象或亚纯函数给出。在许多情况下，只有在纯虚拟JW轴上的各个点上只观察到这些功能的大小，因为它们的阶段的相干测量通常是昂贵的。然而，期望在可能的情况下从幅度中检索丢失的阶段。为此，我们提出了一种基于Blaschke产品的物理漏险的深神经网络，用于相位检索。灵感来自赫尔森和Sarason定理，我们使用Blaschke产品神经网络（BPNN）来恢复Blaschke产品的合理功能系数，基于输入作为输入的幅度观察。然后使用得到的Rational函数进行相位检索。我们将BPNN与常规深度神经网络（NNS）进行比较多相检索问题，包括合成和当代的现实世界问题（例如，数据收集需要大量专业知识的超材料，并且耗时）。在每个阶段检索问题上，我们与不同尺寸和超参数设置的传统NNS群体进行比较。即使没有任何超参数搜索，我们发现BPNNS始终如一地优于稀缺数据场景中优化NNS的群体，并且尽管模型更小。结果又可以应用于计算超材料的折射率，这是物质科学新兴领域的重要问题。

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。

我们为特殊神经网络架构，称为运营商复发性神经网络的理论分析，用于近似非线性函数，其输入是线性运算符。这些功能通常在解决方案算法中出现用于逆边值问题的问题。传统的神经网络将输入数据视为向量，因此它们没有有效地捕获与对应于这种逆问题中的数据的线性运算符相关联的乘法结构。因此，我们介绍一个类似标准的神经网络架构的新系列，但是输入数据在向量上乘法作用。由较小的算子出现在边界控制中的紧凑型操作员和波动方程的反边值问题分析，我们在网络中的选择权重矩阵中促进结构和稀疏性。在描述此架构后，我们研究其表示属性以及其近似属性。我们还表明，可以引入明确的正则化，其可以从所述逆问题的数学分析导出，并导致概括属性上的某些保证。我们观察到重量矩阵的稀疏性改善了概括估计。最后，我们讨论如何将运营商复发网络视为深度学习模拟，以确定诸如用于从边界测量的声波方程中重建所未知的WAVESTED的边界控制的算法算法。

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

Graphene quantum dots provide a platform for manipulating electron behaviors in two-dimensional (2D) Dirac materials. Most previous works were of the "forward" type in that the objective was to solve various confinement, transport and scattering problems with given structures that can be generated by, e.g., applying an external electrical field. There are applications such as cloaking or superscattering where the challenging problem of inverse design needs to be solved: finding a quantum-dot structure according to certain desired functional characteristics. A brute-force search of the system configuration based directly on the solutions of the Dirac equation is computational infeasible. We articulate a machine-learning approach to addressing the inverse-design problem where artificial neural networks subject to physical constraints are exploited to replace the rigorous Dirac equation solver. In particular, we focus on the problem of designing a quantum dot structure to generate both cloaking and superscattering in terms of the scattering efficiency as a function of the energy. We construct a physical loss function that enables accurate prediction of the scattering characteristics. We demonstrate that, in the regime of Klein tunneling, the scattering efficiency can be designed to vary over two orders of magnitudes, allowing any scattering curve to be generated from a proper combination of the gate potentials. Our physics-based machine-learning approach can be a powerful design tool for 2D Dirac material-based electronics.

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。

Practical applications of mechanical metamaterials often involve solving inverse problems where the objective is to find the (multiple) microarchitectures that give rise to a given set of properties. The limited resolution of additive manufacturing techniques often requires solving such inverse problems for specific sizes. One should, therefore, find multiple microarchitectural designs that exhibit the desired properties for a specimen with given dimensions. Moreover, the candidate microarchitectures should be resistant to fatigue and fracture, meaning that peak stresses should be minimized as well. Such a multi-objective inverse design problem is formidably difficult to solve but its solution is the key to real-world applications of mechanical metamaterials. Here, we propose a modular approach titled 'Deep-DRAM' that combines four decoupled models, including two deep learning models (DLM), a deep generative model (DGM) based on conditional variational autoencoders (CVAE), and direct finite element (FE) simulations. Deep-DRAM (deep learning for the design of random-network metamaterials) integrates these models into a unified framework capable of finding many solutions to the multi-objective inverse design problem posed here. The integrated framework first introduces the desired elastic properties to the DGM, which returns a set of candidate designs. The candidate designs, together with the target specimen dimensions are then passed to the DLM which predicts their actual elastic properties considering the specimen size. After a filtering step based on the closeness of the actual properties to the desired ones, the last step uses direct FE simulations to identify the designs with the minimum peak stresses.

剪切粘度虽然是所有液体的基本特性，但在计算上估计分子动力学模拟的计算昂贵。最近，机器学习（ML）方法已被用于在许多情况下增强分子模拟，从而显示出以相对廉价的方式估算粘度的希望。但是，ML方法面临重大挑战，例如当数据集的大小很小时，粘度也很小。在这项工作中，我们训练多个ML模型，以预测Lennard-Jones（LJ）流体的剪切粘度，特别强调解决由小型数据集引起的问题。具体而言，研究了与模型选择，绩效估计和不确定性定量有关的问题。首先，我们表明使用单个看不见的数据集的广泛使用的性能估计步骤显示了小数据集的广泛可变性。在这种情况下，可以使用交叉验证（CV）选择超参数（模型选择）的常见实践，以估算概括误差（性能估计）。我们比较了两个简单的简历程序，以便他们同时选择模型选择和性能估计的能力，并发现基于K折CV的过程显示出较低的误差估计差异。我们讨论绩效指标在培训和评估中的作用。最后，使用高斯工艺回归（GPR）和集合方法来估计单个预测的不确定性。 GPR的不确定性估计还用于构建适用性域，使用ML模型对本工作中生成的另一个小数据集提供了更可靠的预测。总体而言，这项工作中规定的程序共同导致了针对小型数据集的强大ML模型。

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。

药物介导的电压门控钾通道（HERG）和电压门控钠通道（NAV1.5）可导致严重的心血管并发症。这种上升的担忧已经反映在药物开发竞技场中，因为许多经批准的药物的常常出现心脏毒性导致他们在某些情况下停止他们的使用，或者在某些情况下，他们从市场上撤回。在药物发现过程的开始时预测潜在的HERG和NAV1.5阻滞剂可以解决这个问题，因此可以降低开发安全药物的时间和昂贵的成本。一种快速且经济高效的方法是在杂草中使用硅预测方法，在药物开发的早期阶段杂草出潜在的Herg和Nav1.5阻滞剂。在这里，我们介绍了两种基于强大的基于2D描述符的基于描述符的QSAR预测模型，用于HERG和NAV1.5责任预测。机器学习模型训练，用于回归，预测药物的效力值，以及三种不同效力截止的多条分类（即1 {\ mu} m，10 {\ mu} m，和30 {\ mu}） M），其中托管 - Herg分类器是随机森林模型的管道，受到8380个独特的分子化合物的大型策级数据集。虽然Toxtree-Nav1.5分类器，凯列化SVM模型的管道，由来自Chembl和Pubchem公开的生物活动数据库的大型手动策划的1550个独特的化合物培训。拟议的HERG诱导者表现优于最先进的发布模型和其他现有工具的大多数指标。此外，我们正在介绍Q4 = 74.9％的第一个NAV1.5责任预测模型，Q2 = 86.7％的二进制分类= 71.2％在173个独特的化合物的外部测试组上进行评估。该项目中使用的策划数据集公开可向研究界提供。

本文调查了股票回购，特别是分享回购公告。它解决了如何识别此类公告，股票回购的超额回报以及股票回购公告后的回报的预测。我们说明了两种NLP方法，用于自动检测股票回购公告。即使有少量的培训数据，我们也可以达到高达90％的准确性。该论文利用这些NLP方法生成一个由57,155个股票回购公告组成的大数据集。通过分析该数据集，本论文的目的是表明大多数宣布回购的公司的大多数公司都表现不佳。但是，少数公司的表现极大地超过了MSCI世界。当查看所有公司的平均值时，这种重要的表现过高会导致净收益。如果根据公司的规模调整了基准指数，则平均表现过高，并且大多数表现不佳。但是，发现宣布股票回购的公司至少占其市值的1％，即使使用调整后的基准，也平均交付了显着的表现。还发现，在危机时期宣布股票回购的公司比整个市场更好。此外，生成的数据集用于训练72个机器学习模型。通过此，它能够找到许多可以达到高达77％并产生大量超额回报的策略。可以在六个不同的时间范围内改善各种性能指标，并确定明显的表现。这是通过训练多个模型的不同任务和时间范围以及结合这些不同模型的方法来实现的，从而通过融合弱学习者来产生重大改进，以创造一个强大的学习者。

Machine learning methods have revolutionized the discovery process of new molecules and materials. However, the intensive training process of neural networks for molecules with ever-increasing complexity has resulted in exponential growth in computation cost, leading to long simulation time and high energy consumption. Photonic chip technology offers an alternative platform for implementing neural networks with faster data processing and lower energy usage compared to digital computers. Photonics technology is naturally capable of implementing complex-valued neural networks at no additional hardware cost. Here, we demonstrate the capability of photonic neural networks for predicting the quantum mechanical properties of molecules. To the best of our knowledge, this work is the first to harness photonic technology for machine learning applications in computational chemistry and molecular sciences, such as drug discovery and materials design. We further show that multiple properties can be learned simultaneously in a photonic chip via a multi-task regression learning algorithm, which is also the first of its kind as well, as most previous works focus on implementing a network in the classification task.

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， 。

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。