高维偏微分方程（PDE）是一种流行的数学建模工具，其应用从财务到计算化学不等。但是，用于解决这些PDE的标准数值技术通常受维度的诅咒影响。在这项工作中，我们应对这一挑战，同时着重于在具有周期性边界条件的高维域上定义的固定扩散方程。受到高维度稀疏功能近似进展的启发，我们提出了一种称为压缩傅立叶搭配的新方法。结合了压缩感应和光谱搭配的想法，我们的方法取代了结构化置式网格用蒙特卡洛采样的使用，并采用了稀疏的恢复技术，例如正交匹配的追踪和$ \ ell^1 $最小化，以近似PDE的傅立叶系数解决方案。我们进行了严格的理论分析，表明所提出的方法的近似误差与最佳$ s $ term近似（相对于傅立叶基础）与解决方案相当。我们的分析使用了最近引入的随机采样框架，我们的分析表明，在足够条件下，根据扩散系数的规律性，压缩傅立叶搭配方法相对于搭配点的数量减轻了维数的诅咒。我们还提出了数值实验，以说明稀疏和可压缩溶液近似方法的准确性和稳定性。

本文涉及使用多项式的有限样品的平滑，高维函数的近似。这项任务是计算科学和工程中许多应用的核心 - 尤其是由参数建模和不确定性量化引起的。通常在此类应用中使用蒙特卡洛（MC）采样，以免屈服于维度的诅咒。但是，众所周知，这种策略在理论上是最佳的。尺寸$ n $有许多多项式空间，样品复杂度尺度划分为$ n $。这种有据可查的现象导致了一致的努力，以设计改进的，实际上是近乎最佳的策略，其样本复杂性是线性的，甚至线性地缩小了$ n $。自相矛盾的是，在这项工作中，我们表明MC实际上是高维度中的一个非常好的策略。我们首先通过几个数值示例记录了这种现象。接下来，我们提出一个理论分析，该分析能够解决这种悖论，以实现无限多变量的全体形态功能。我们表明，基于$ M $ MC样本的最小二乘方案，其错误衰减为$ m/\ log（m）$，其速率与最佳$ n $ term的速率相同多项式近似。该结果是非构造性的，因为它假定了进行近似的合适多项式空间的知识。接下来，我们提出了一个基于压缩感应的方案，该方案达到了相同的速率，除了较大的聚类因子。该方案是实用的，并且在数值上，它的性能和比知名的自适应最小二乘方案的性能和更好。总体而言，我们的发现表明，当尺寸足够高时，MC采样非常适合平滑功能近似。因此，改进的采样策略的好处通常仅限于较低维度的设置。

基于神经网络的高维部分微分方程（PDE）的数值解具有令人兴奋的发展。本文推出了Barron空间中$ -dimimensional二阶椭圆PDE的解决方案的复杂性估计，这是一组函数，即承认某些参数脊函数的积分与参数上的概率测量。我们证明在一些适当的假设中，如果椭圆PDE的系数和源期限位于Barron空间中，则PDE的解决方案是$ \ epsilon $ -close关于$ h ^ 1 $ norm到Barron功能。此外，我们证明了这种近似解决方案的Barron标准的维度显式范围，这取决于大多数多项式在PDE的维度$ D $上。作为复杂性估计的直接后果，通过双层神经网络，PDE的解决方案可以通过双层神经网络在任何有界面的神经网络上近似于尺寸显式收敛速度的$ H ^ 1 $常态。

分析了无限维函数空间之间地图的深层替代物的近似速率，例如作为线性和非线性偏微分方程的数据到解决图。具体而言，我们研究了深神经操作员和广义多项式混乱（GPC）操作员的近似速率，用于无线性，可分开的希尔伯特空间之间的非线性，全态图。假定功能空间的运算符和输出通过稳定的仿射表示系统进行参数化。可接受的表示系统包括正常基础，RIESZ底座或所考虑的空间的合适的紧密框架。建立了代数表达速率界限，为具有有限的Sobolev或BESOV规律性的范围内的深层神经和GPC操作员替代物都作用于可分离的Hilbert空间和拟合图表的范围。我们通过表达速率界限来说明抽象速率界限的系数到测序图，用于圆环上线性椭圆形PDE。

Koopman运算符是无限维的运算符，可全球线性化非线性动态系统，使其光谱信息可用于理解动态。然而，Koopman运算符可以具有连续的光谱和无限维度的子空间，使得它们的光谱信息提供相当大的挑战。本文介绍了具有严格融合的数据驱动算法，用于从轨迹数据计算Koopman运算符的频谱信息。我们引入了残余动态模式分解（ResDMD），它提供了第一种用于计算普通Koopman运算符的Spectra和PseudtoStra的第一种方案，无需光谱污染。使用解析器操作员和RESDMD，我们还计算与测量保存动态系统相关的光谱度量的平滑近似。我们证明了我们的算法的显式收敛定理，即使计算连续频谱和离散频谱的密度，也可以实现高阶收敛即使是混沌系统。我们展示了在帐篷地图，高斯迭代地图，非线性摆，双摆，洛伦茨系统和11美元延长洛伦兹系统的算法。最后，我们为具有高维状态空间的动态系统提供了我们的算法的核化变体。这使我们能够计算与具有20,046维状态空间的蛋白质分子的动态相关的光谱度量，并计算出湍流流过空气的误差界限的非线性Koopman模式，其具有雷诺数为$> 10 ^ 5 $。一个295,122维的状态空间。

我们建立了对椭圆形问题的误差对空间中的椭圆状况的误差，以及不同的边界条件。对于Dirichlet边界条件，我们在通过边界损失方法中大致强制强制执行边界值时估计错误。我们的结果适用于任意和一般非线性类$ v \ subseteq h ^ 1（\ omega）$的ansatz函数，并估算依赖优化精度，ansatz类的近似能力和 - 在案例中Dirichlet边界值 - 惩罚强度$ \ lambda $。对于非基本边界条件，RITZ方法的误差与ansatz类的近似率相同的速率。对于基本边界条件，鉴于$ H ^ 1（\ OMEGA）$的近似率和$ l ^ 2（\ partial \ omega）$的$ l ^ 2（\ partial \ omega）$的近似率，最佳衰减率的估计错误是$ \ min（s / 2，r）$，通过选择$ \ lambda_n \ sim n ^ {s} $来实现。我们讨论了通过Relu网络给出的Ansatz类的影响以及与有限元函数的现有估计的关系。

在本文中，我们建立了一个神经网络以近似功能，该功能是从无限尺寸空间到有限维空间的地图。神经网络的近似误差为$ O（1/\ sqrt {m}）$，其中$ m $是网络的大小，它克服了维度的诅咒。近似值的关键思想是定义功能的巴隆光谱空间。

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。

Many applications, such as system identification, classification of time series, direct and inverse problems in partial differential equations, and uncertainty quantification lead to the question of approximation of a non-linear operator between metric spaces $\mathfrak{X}$ and $\mathfrak{Y}$. We study the problem of determining the degree of approximation of such operators on a compact subset $K_\mathfrak{X}\subset \mathfrak{X}$ using a finite amount of information. If $\mathcal{F}: K_\mathfrak{X}\to K_\mathfrak{Y}$, a well established strategy to approximate $\mathcal{F}(F)$ for some $F\in K_\mathfrak{X}$ is to encode $F$ (respectively, $\mathcal{F}(F)$) in terms of a finite number $d$ (repectively $m$) of real numbers. Together with appropriate reconstruction algorithms (decoders), the problem reduces to the approximation of $m$ functions on a compact subset of a high dimensional Euclidean space $\mathbb{R}^d$, equivalently, the unit sphere $\mathbb{S}^d$ embedded in $\mathbb{R}^{d+1}$. The problem is challenging because $d$, $m$, as well as the complexity of the approximation on $\mathbb{S}^d$ are all large, and it is necessary to estimate the accuracy keeping track of the inter-dependence of all the approximations involved. In this paper, we establish constructive methods to do this efficiently; i.e., with the constants involved in the estimates on the approximation on $\mathbb{S}^d$ being $\mathcal{O}(d^{1/6})$. We study different smoothness classes for the operators, and also propose a method for approximation of $\mathcal{F}(F)$ using only information in a small neighborhood of $F$, resulting in an effective reduction in the number of parameters involved.

Low-rank matrix approximations, such as the truncated singular value decomposition and the rank-revealing QR decomposition, play a central role in data analysis and scientific computing. This work surveys and extends recent research which demonstrates that randomization offers a powerful tool for performing low-rank matrix approximation. These techniques exploit modern computational architectures more fully than classical methods and open the possibility of dealing with truly massive data sets.This paper presents a modular framework for constructing randomized algorithms that compute partial matrix decompositions. These methods use random sampling to identify a subspace that captures most of the action of a matrix. The input matrix is then compressed-either explicitly or implicitly-to this subspace, and the reduced matrix is manipulated deterministically to obtain the desired low-rank factorization. In many cases, this approach beats its classical competitors in terms of accuracy, speed, and robustness. These claims are supported by extensive numerical experiments and a detailed error analysis.The specific benefits of randomized techniques depend on the computational environment. Consider the model problem of finding the k dominant components of the singular value decomposition of an m × n matrix. (i) For a dense input matrix, randomized algorithms require O(mn log(k)) floating-point operations (flops) in contrast with O(mnk) for classical algorithms. (ii) For a sparse input matrix, the flop count matches classical Krylov subspace methods, but the randomized approach is more robust and can easily be reorganized to exploit multi-processor architectures. (iii) For a matrix that is too large to fit in fast memory, the randomized techniques require only a constant number of passes over the data, as opposed to O(k) passes for classical algorithms. In fact, it is sometimes possible to perform matrix approximation with a single pass over the data.

总变化（TV）正则化已经提高了用于图像处理任务的各种变分模型。我们提出了与电视正则化的早期文献中的倒扩散过程与电视正常化相结合，并表明所得到的增强电视最小化模型对于降低对比度的损失特别有效，这通常由使用电视正常化的模型遇到。我们从嘈杂的额相测量中建立了增强电视模型的稳定重建保证;考虑非自适应线性测量和可变密度采样的傅里叶测量。特别地，在一些较弱的受限制的等距特性条件下，增强的电视最小化模型被示出为比各种基于电视的模型具有更严格的重建误差界限，用于噪声水平很大并且测量量有限。增强电视模型的优点也通过初步实验进行了数值验证，通过一些合成，自然和医学图像的重建。

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。

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。

在本文中，我们研究了使用深丽升方法（DRM）和物理信息的神经网络（Pinns）从随机样品求解椭圆局部微分方程（PDE）的深度学习技术的统计限制。为了简化问题，我们专注于原型椭圆PDE：SCHR \“odinginger方程，具有零的Dirichlet边界条件，其在量子 - 机械系统中具有广泛的应用。我们为两种方法建立了上下界，通过快速速率泛化绑定并发地改善了这个问题的上限。我们发现当前的深ritz方法是次优的，提出修改版本。我们还证明了Pinn和DRM的修改版本可以实现Minimax SoboLev空间的最佳限制。经验上，近期工作表明，根据权力法，我们提供了培训训练的深层模型精度，我们提供了计算实验，以显示对深PDE求解器的尺寸依赖权力法的类似行为。

本文提出了一个无网格的计算框架和机器学习理论，用于在未知的歧管上求解椭圆形PDE，并根据扩散地图（DM）和深度学习确定点云。 PDE求解器是作为监督的学习任务制定的，以解决最小二乘回归问题，该问题施加了近似PDE的代数方程（如果适用）。该代数方程涉及通过DM渐近扩展获得的图形拉平型矩阵，该基质是二阶椭圆差差算子的一致估计器。最终的数值方法是解决受神经网络假设空间解决方案的高度非凸经验最小化问题。在体积良好的椭圆PDE设置中，当假设空间由具有无限宽度或深度的神经网络组成时，我们表明，经验损失函数的全球最小化器是大型训练数据极限的一致解决方案。当假设空间是一个两层神经网络时，我们表明，对于足够大的宽度，梯度下降可以识别经验损失函数的全局最小化器。支持数值示例证明了解决方案的收敛性，范围从具有低和高共限度的简单歧管到具有和没有边界的粗糙表面。我们还表明，所提出的NN求解器可以在具有概括性误差的新数据点上稳健地概括PDE解决方案，这些误差几乎与训练错误相同，从而取代了基于Nystrom的插值方法。

稀疏数据的恢复是机器学习和信号处理中许多应用的核心。虽然可以使用$ \ ell_1 $ -regularization在套索估算器中使用此类问题，但在基础上，通常需要专用算法来解决大型实例的相应高维非平滑优化。迭代地重新重复的最小二乘（IRLS）是一种广泛使用的算法，其出于其优异的数值性能。然而，虽然现有理论能够保证该算法的收敛到最小化器，但它不提供全局收敛速度。在本文中，我们证明了IRLS的变型以全局线性速率收敛到稀疏解决方案，即，如果测量结果满足通常的空空间属性假设，则立即发生线性误差。我们通过数值实验支持我们的理论，表明我们的线性速率捕获了正确的维度依赖性。我们预计我们的理论调查结果将导致IRLS算法的许多其他用例的新见解，例如在低级矩阵恢复中。

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.

We consider the nonlinear inverse problem of learning a transition operator $\mathbf{A}$ from partial observations at different times, in particular from sparse observations of entries of its powers $\mathbf{A},\mathbf{A}^2,\cdots,\mathbf{A}^{T}$. This Spatio-Temporal Transition Operator Recovery problem is motivated by the recent interest in learning time-varying graph signals that are driven by graph operators depending on the underlying graph topology. We address the nonlinearity of the problem by embedding it into a higher-dimensional space of suitable block-Hankel matrices, where it becomes a low-rank matrix completion problem, even if $\mathbf{A}$ is of full rank. For both a uniform and an adaptive random space-time sampling model, we quantify the recoverability of the transition operator via suitable measures of incoherence of these block-Hankel embedding matrices. For graph transition operators these measures of incoherence depend on the interplay between the dynamics and the graph topology. We develop a suitable non-convex iterative reweighted least squares (IRLS) algorithm, establish its quadratic local convergence, and show that, in optimal scenarios, no more than $\mathcal{O}(rn \log(nT))$ space-time samples are sufficient to ensure accurate recovery of a rank-$r$ operator $\mathbf{A}$ of size $n \times n$. This establishes that spatial samples can be substituted by a comparable number of space-time samples. We provide an efficient implementation of the proposed IRLS algorithm with space complexity of order $O(r n T)$ and per-iteration time complexity linear in $n$. Numerical experiments for transition operators based on several graph models confirm that the theoretical findings accurately track empirical phase transitions, and illustrate the applicability and scalability of the proposed algorithm.

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。

我们证明了连续和离散时间添加功能的浓度不平等和相关的PAC界限，用于可能是多元，不可逆扩散过程的无界函数。我们的分析依赖于通过泊松方程的方法，使我们能够考虑一系列非常广泛的指数性千古过程。这些结果增加了现有的浓度不平等，用于扩散过程的加性功能，这些功能仅适用于有界函数或从明显较小的类别中的过程的无限函数。我们通过两个截然不同的区域的例子来证明这些指数不平等的力量。考虑到在稀疏性约束下可能具有高维参数非线性漂移模型，我们应用连续的时间浓度结果来验证套索估计的受限特征值条件，这对于甲骨文不平等的推导至关重要。离散添加功能的结果用于研究未经调整的Langevin MCMC算法，用于采样中等重尾密度$ \ pi $。特别是，我们为多项式增长功能$ f $的样品蒙特卡洛估计量$ \ pi（f）提供PAC边界，以量化足够的样本和阶梯尺寸，以在规定的边距内近似具有很高的可能性。