本文提出了一种用于系统识别（ID）的概率贝叶斯公式，并使用随机动态模型对不可分割的哈密顿系统进行了估计。非分离的哈密顿系统是来自不同科学和工程应用的模型，例如天体物理学，机器人技术，涡流动力学，带电的粒子动力学和量子力学。数值实验表明，与最先进的方法相比，所提出的方法以更高的精度和预测性不确定性降低了动态系统。结果进一步表明，在可能存在稀疏和嘈杂的测量的情况下，准确的预测远远超出了训练时间间隔，这为提出的方法提供了鲁棒性和概括性。定量益处是预测准确性，相对误差少于10％的相对误差超过12倍，比基于基准问题的基于最小二乘的方法长12倍。

基于哈密顿配方的混合机器学习最近已成功证明了简单的机械系统。在这项工作中，我们在简单的质量弹簧系统和更复杂，更现实的系统上强调方法，具有多个内部和外部端口，包括具有多个连接储罐的系统。我们量化各种条件下的性能，并表明施加不同的假设会极大地影响性能，突出该方法的优势和局限性。我们证明，哈米尔顿港神经网络可以扩展到具有州依赖性端口的更高维度。我们考虑学习具有已知和未知外部端口的系统。哈米尔顿港的公式允许检测偏差，并在删除偏差时仍然提供有效的模型。最后，我们提出了一种对称的高级整合方案，以改善稀疏和嘈杂数据的训练。

大多数物理过程具有结构性属性，例如恒定的能量，卷和其他不变性随着时间的推移。当这种动态系统的学习模型时，尊重这些不变性是至关重要的，以确保准确的预测和物理上有意义的行为。引人注目地，高斯过程中的最先进的方法（GP）动态模型学习没有解决这个问题。另一方面，经典的数值积分器专门设计用于通过时间保持这些关键特性。我们建议将GPS的优势与具有用于动态系统的结构保留数值积分器的功能近似器，例如跳动 - 库特拉方法。这些集成商假设访问地面真理动态，并要求对基于学习的场景中未知的中间和未知的中间和未来时间步骤进行评估。这使得GP动力学的直接推动，具有嵌入式数字方案，棘爪。我们的主要技术贡献是评估隐式定义的runge-Kutta转换概率。简而言之，我们介绍了一种用于GP回归的隐式层，其嵌入到基于变分的推断的模型学习方案中。

基于近似基础的Koopman操作员或发电机的数据驱动的非线性动力系统模型已被证明是预测，功能学习，状态估计和控制的成功工具。众所周知，用于控制膜系统的Koopman发电机还对输入具有仿射依赖性，从而导致动力学的方便有限维双线性近似。然而，仍然存在两个主要障碍，限制了当前方法的范围，以逼近系统的koopman发电机。首先，现有方法的性能在很大程度上取决于要近似Koopman Generator的基础函数的选择；目前，目前尚无通用方法来为无法衡量保存的系统选择它们。其次，如果我们不观察到完整的状态，我们可能无法访问足够丰富的此类功能来描述动态。这是因为在有驱动时，通常使用时间延迟的可观察物的方法失败。为了解决这些问题，我们将Koopman Generator控制的可观察到的动力学写为双线性隐藏Markov模型，并使用预期最大化（EM）算法确定模型参数。 E-Step涉及标准的Kalman滤波器和更光滑，而M-Step类似于发电机的控制效果模式分解。我们在三个示例上证明了该方法的性能，包括恢复有限的Koopman-Invariant子空间，用于具有缓慢歧管的驱动系统；估计非强制性行驶方程的Koopman本征函数；仅基于提升和阻力的嘈杂观察，对流体弹球系统的模型预测控制。

潜在位置网络模型是网络科学的多功能工具;应用程序包括集群实体，控制因果混淆，并在未观察的图形上定义前提。估计每个节点的潜在位置通常是贝叶斯推理问题的群体，吉布斯内的大都市是最流行的近似后分布的工具。然而，众所周知，GIBBS内的大都市对于大型网络而言是低效;接受比计算成本昂贵，并且所得到的后绘高度相关。在本文中，我们提出了一个替代的马尔可夫链蒙特卡罗战略 - 使用分裂哈密顿蒙特卡罗和萤火虫蒙特卡罗的组合定义 - 利用后部分布的功能形式进行更有效的后退计算。我们展示了这些战略在吉布斯和综合网络上的其他算法中优于大都市，以及学区的教师和工作人员的真正信息共享网络。

当采样贝叶斯推断时，一种流行的方法是使用汉密尔顿蒙特卡洛（HMC），特别是No-U-Turn采样器（NUTS），该采样器（NUTS）自动决定汉密尔顿轨迹的结束时间。但是，HMC和螺母可能需要众多目标密度的数值梯度，并且在实践中可能会缓慢。我们建议使用HMC和坚果解决贝叶斯推理问题的汉密尔顿神经网络（HNNS）。一旦训练，HNN不需要在采样过程中的目标密度的数值梯度。此外，它们满足了重要的特性，例如完美的时间可逆性和哈密顿保护性，使其非常适合在HMC和坚果中使用，因为可以显示平稳性。我们还提出了一个称为潜在HNN（L-HNN）的HNN扩展，该扩展能够预测潜在的可变输出。与HNN相比，L-HNN提供了提高表达性和减少的集成误差。最后，我们在具有在线错误监测方案的螺母中使用L-HNN，以防止低概率密度区域的样本退化。我们证明了在螺母中的L-HNN，并在线错误监视了一些涉及复杂，重尾和高本地狂热概率密度的示例。总体而言，具有在线错误监控的坚果中的L-HNN令人满意地推断了这些概率密度。与传统的螺母相比，在线错误监控的螺母中，L-HNN需要1--2个目标密度的数值梯度，并通过数量级提高了每个梯度的有效样本量（ESS）。

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。

Data-driven modeling has become a key building block in computational science and engineering. However, data that are available in science and engineering are typically scarce, often polluted with noise and affected by measurement errors and other perturbations, which makes learning the dynamics of systems challenging. In this work, we propose to combine data-driven modeling via operator inference with the dynamic training via roll outs of neural ordinary differential equations. Operator inference with roll outs inherits interpretability, scalability, and structure preservation of traditional operator inference while leveraging the dynamic training via roll outs over multiple time steps to increase stability and robustness for learning from low-quality and noisy data. Numerical experiments with data describing shallow water waves and surface quasi-geostrophic dynamics demonstrate that operator inference with roll outs provides predictive models from training trajectories even if data are sampled sparsely in time and polluted with noise of up to 10%.

逆问题本质上是普遍存在的，几乎在科学和工程的几乎所有领域都出现，从地球物理学和气候科学到天体物理学和生物力学。解决反问题的核心挑战之一是解决他们的不良天性。贝叶斯推论提供了一种原则性的方法来克服这一方法，通过将逆问题提出为统计框架。但是，当推断具有大幅度的离散表示的字段（所谓的“维度的诅咒”）和/或仅以先前获取的解决方案的形式可用时。在这项工作中，我们提出了一种新的方法，可以使用深层生成模型进行有效，准确的贝叶斯反转。具体而言，我们证明了如何使用生成对抗网络（GAN）在贝叶斯更新中学到的近似分布，并在GAN的低维度潜在空间中重新解决所得的推断问题，从而有效地解决了大规模的解决方案。贝叶斯逆问题。我们的统计框架保留了潜在的物理学，并且被证明可以通过可靠的不确定性估计得出准确的结果，即使没有有关基础噪声模型的信息，这对于许多现有方法来说都是一个重大挑战。我们证明了提出方法对各种反问题的有效性，包括合成和实验观察到的数据。

在本章中，我们确定了基本的几何结构，这些几何结构是采样，优化，推理和自适应决策问题的基础。基于此识别，我们得出了利用这些几何结构来有效解决这些问题的算法。我们表明，在这些领域中自然出现了广泛的几何理论，范围从测量过程，信息差异，泊松几何和几何整合。具体而言，我们解释了（i）如何利用汉密尔顿系统的符合性几何形状，使我们能够构建（加速）采样和优化方法，（ii）希尔伯特亚空间和Stein操作员的理论提供了一种通用方法来获得可靠的估计器，（iii）（iii）（iii）保留决策的信息几何形状会产生执行主动推理的自适应剂。在整个过程中，我们强调了这些领域之间的丰富联系。例如，推论借鉴了抽样和优化，并且自适应决策通过推断其反事实后果来评估决策。我们的博览会提供了基本思想的概念概述，而不是技术讨论，可以在本文中的参考文献中找到。

它已被广泛记录说粒子过滤器中的采样和重采样步骤不能差异化。介绍{\ itshape Reparameterisisisisisation技巧}以允许采样步骤重新重整为可微分功能。我们扩展{\ itshape Reparameterisisisation Trick}以包括重采样的随机输入，因此在此步骤之后限制了梯度计算中的不连续性。了解先前和可能性的梯度允许我们运行粒子马尔可夫链蒙特卡罗（P-MCMC）并在估算参数时使用No-U转样采样器（螺母）作为提案。我们将大都市调整后的Langevin算法（MALA）进行比较，汉密尔顿蒙特卡罗与不同数量的步骤和坚果。我们考虑两个状态空间模型，并表明坚果改善了马尔可夫链的混合，可以在较少的计算时间内产生更准确的结果。

Interacting particle or agent systems that display a rich variety of swarming behaviours are ubiquitous in science and engineering. A fundamental and challenging goal is to understand the link between individual interaction rules and swarming. In this paper, we study the data-driven discovery of a second-order particle swarming model that describes the evolution of $N$ particles in $\mathbb{R}^d$ under radial interactions. We propose a learning approach that models the latent radial interaction function as Gaussian processes, which can simultaneously fulfill two inference goals: one is the nonparametric inference of {the} interaction function with pointwise uncertainty quantification, and the other one is the inference of unknown scalar parameters in the non-collective friction forces of the system. We formulate the learning problem as a statistical inverse problem and provide a detailed analysis of recoverability conditions, establishing that a coercivity condition is sufficient for recoverability. Given data collected from $M$ i.i.d trajectories with independent Gaussian observational noise, we provide a finite-sample analysis, showing that our posterior mean estimator converges in a Reproducing kernel Hilbert space norm, at an optimal rate in $M$ equal to the one in the classical 1-dimensional Kernel Ridge regression. As a byproduct, we show we can obtain a parametric learning rate in $M$ for the posterior marginal variance using $L^{\infty}$ norm, and the rate could also involve $N$ and $L$ (the number of observation time instances for each trajectory), depending on the condition number of the inverse problem. Numerical results on systems that exhibit different swarming behaviors demonstrate efficient learning of our approach from scarce noisy trajectory data.

现代深度学习方法构成了令人难以置信的强大工具，以解决无数的挑战问题。然而，由于深度学习方法作为黑匣子运作，因此与其预测相关的不确定性往往是挑战量化。贝叶斯统计数据提供了一种形式主义来理解和量化与深度神经网络预测相关的不确定性。本教程概述了相关文献和完整的工具集，用于设计，实施，列车，使用和评估贝叶斯神经网络，即使用贝叶斯方法培训的随机人工神经网络。

在科学技术的许多领域中，从数据中提取理事物理学是一个关键挑战。方程发现的现有技术取决于输入和状态测量。但是，实际上，我们只能访问输出测量。我们在这里提出了一个新的框架，用于从输出测量中学习动态系统的物理学；这本质上将物理发现问题从确定性转移到随机域。提出的方法将输入模拟为随机过程，并将随机演算，稀疏学习算法和贝叶斯统计的概念融合在一起。特别是，我们将稀疏性结合起来，促进尖峰和平板先验，贝叶斯法和欧拉·马鲁山（Euler Maruyama）计划，以从数据中识别统治物理。最终的模型高效，可以进行稀疏，嘈杂和不完整的输出测量。在涉及完整状态测量和部分状态测量的几个数值示例中说明了所提出方法的功效和鲁棒性。获得的结果表明，拟议方法仅从产出测量中识别物理学的潜力。

从卫星图像中提取的大气运动向量（AMV）是唯一具有良好全球覆盖范围的风观测。它们是进食数值天气预测（NWP）模型的重要特征。已经提出了几种贝叶斯模型来估计AMV。尽管对于正确同化NWP模型至关重要，但很少有方法可以彻底表征估计误差。估计误差的困难源于后验分布的特异性，这既是很高的维度，又是由于奇异的可能性而导致高度不良的条件，这在缺少数据（未观察到的像素）的情况下特别重要。这项工作研究了使用基于梯度的Markov链Monte Carlo（MCMC）算法评估AMV的预期误差。我们的主要贡献是提出一种回火策略，这相当于在点估计值附近的AMV和图像变量的联合后验分布的局部近似。此外，我们提供了与先前家庭本身有关的协方差（分数布朗运动），并具有不同的超参数。从理论的角度来看，我们表明，在规律性假设下，随着温度降低到{optimal}高斯近似值，在最大a后验（MAP）对数密度给出的点估计下，温度降低到{optimal}高斯近似值。从经验的角度来看，我们根据一些定量的贝叶斯评估标准评估了提出的方法。我们对合成和真实气象数据进行的数值模拟揭示了AMV点估计的准确性及其相关的预期误差估计值的显着提高，但在MCMC算法的收敛速度方面也有很大的加速度。

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。

贝叶斯推理允许在贝叶斯神经网络的上下文中获取有关模型参数的有用信息，或者在贝叶斯神经网络的背景下。通常的Monte Carlo方法的计算成本，用于在贝叶斯推理中对贝叶斯推理的后验法律进行线性点的数量与数据点的数量进行线性。将其降低到这一成本的一小部分的一种选择是使用Langevin动态的未经调整的离散化来诉诸Mini-Batching，在这种情况下，只使用数据的随机分数来估计梯度。然而，这导致动态中的额外噪声，因此在马尔可夫链采样的不变度量上的偏差。我们倡导使用所谓的自适应Langevin动态，这是一种改进标准惯性Langevin动态，其动态摩擦力，可自动校正迷你批次引起的增加的噪声。我们调查假设适应性Langevin的假设（恒定协方差估计梯度的恒定协方差），这在贝叶斯推理的典型模型中不满足，并在这种情况下量化小型匹配诱导的偏差。我们还展示了如何扩展ADL，以便通过考虑根据参数的当前值来系统地减少后部分布的偏置。

最近，对具有神经网络的物理系统建模和计算的兴趣越来越多。在古典力学中，哈密顿系统是一种优雅而紧凑的形式主义，该动力学由一个标量功能，哈密顿量完全决定。解决方案轨迹通常受到约束，以在线性矢量空间的子序列上进化。在这项工作中，我们提出了新的方法，以准确地逼近其解决方案的示例数据信息的约束机械系统的哈密顿功能。我们通过使用明确的谎言组集成商和其他经典方案来关注学习策略中约束的重要性。

随机微分方程（SDE）用于描述各种复杂的随机动力学系统。学习SDE中的隐藏物理学对于揭示对这些系统的随机和非线性行为的基本理解至关重要。我们提出了一个灵活且可扩展的框架，用于训练人工神经网络，以学习代表SDE中隐藏物理的本构方程。所提出的随机物理学的神经普通微分方程框架（Spinode）通过已知的SDE结构（即已知的物理学）传播随机性，以产生一组确定性的ODE，以描述随机状态的统计矩的时间演变。然后，Spinode使用ODE求解器预测矩轨迹。 Spinode通过将预测的矩与从数据估计的矩匹配来学习隐藏物理的神经网络表示。利用了自动分化和微型批次梯度下降的最新进展，并利用了伴随灵敏度，以建立神经网络的未知参数。我们在三个基准内案例研究上展示了Spinod，并分析了框架的数值鲁棒性和稳定性。 Spinode提供了一个有希望的新方向，用于系统地阐明具有乘法噪声的多元随机动力学系统的隐藏物理。

Hamiltonian Monte Carlo (HMC) sampling methods provide a mechanism for defining distant proposals with high acceptance probabilities in a Metropolis-Hastings framework, enabling more efficient exploration of the state space than standard random-walk proposals. The popularity of such methods has grown significantly in recent years. However, a limitation of HMC methods is the required gradient computation for simulation of the Hamiltonian dynamical system-such computation is infeasible in problems involving a large sample size or streaming data. Instead, we must rely on a noisy gradient estimate computed from a subset of the data. In this paper, we explore the properties of such a stochastic gradient HMC approach. Surprisingly, the natural implementation of the stochastic approximation can be arbitrarily bad. To address this problem we introduce a variant that uses second-order Langevin dynamics with a friction term that counteracts the effects of the noisy gradient, maintaining the desired target distribution as the invariant distribution. Results on simulated data validate our theory. We also provide an application of our methods to a classification task using neural networks and to online Bayesian matrix factorization.