This paper focuses on a stochastic system identification problem: given time series observations of a stochastic differential equation (SDE) driven by L\'{e}vy $\alpha$-stable noise, estimate the SDE's drift field. For $\alpha$ in the interval $[1,2)$, the noise is heavy-tailed, leading to computational difficulties for methods that compute transition densities and/or likelihoods in physical space. We propose a Fourier space approach that centers on computing time-dependent characteristic functions, i.e., Fourier transforms of time-dependent densities. Parameterizing the unknown drift field using Fourier series, we formulate a loss consisting of the squared error between predicted and empirical characteristic functions. We minimize this loss with gradients computed via the adjoint method. For a variety of one- and two-dimensional problems, we demonstrate that this method is capable of learning drift fields in qualitative and/or quantitative agreement with ground truth fields.

我们开发方法以在一个空间尺寸中学习时间依赖的Kohn-Sham（TDK）系统的相关电位。我们从一条低维两电子系统开始，我们可以在数值上解决时间依赖的SCHR \“odinger方程;这产生适用于培训相关潜力的培训模型的电子密度。我们将学习问题框架作为优化的一个对动态遵守TDKS方程的限制的限制最小二乘目标。应用伴侣，我们开发有效的方法来计算梯度，从而学习相关势的模型。我们的结果表明可以学习相关潜力的值所得到的电子密度匹配地面真理密度。我们还展示了如何使用内存学习相关潜在功能，演示一个这样的模型，为训练集外的轨迹产生合理的结果。

我们确定有效的随机微分方程（SDE），用于基于精细的粒子或基于试剂的模拟的粗糙观察结果；然后，这些SDE提供了精细规模动力学的有用的粗替代模型。我们通过神经网络近似这些有效的SDE中的漂移和扩散率函数，可以将其视为有效的随机分解。损失函数的灵感来自于已建立的随机数值集成剂的结构（在这里，欧拉 - 玛鲁山和米尔斯坦）；因此，我们的近似值可以受益于这些基本数值方案的向后误差分析。当近似粗的模型（例如平均场方程）可用时，它们还自然而然地适合“物理信息”的灰色盒识别。 Langevin型方程和随机部分微分方程（SPDE）的现有数值集成方案也可以用于训练；我们在随机强迫振荡器和随机波方程式上证明了这一点。我们的方法不需要长时间的轨迹，可以在散落的快照数据上工作，并且旨在自然处理每个快照的不同时间步骤。我们考虑了预先知道粗糙的集体观察物以及必须以数据驱动方式找到它们的情况。

最近，通过深度学习框架提取动态系统的数据驱动法则在各个领域都引起了很多关注。此外，越来越多的研究工作倾向于将确定性动力学系统转移到随机动力学系统上，尤其是由非高斯乘法噪声驱动的系统。但是，对于高斯病例，许多基于原木样式的算法不能直接扩展到非高斯场景，这些场景可能存在很高的错误和低收敛问题。在这项工作中，我们克服了其中的一些挑战，并确定由$ \ alpha $稳定的l \'evy噪声驱动的随机动力系统，仅来自随机的成对数据。我们的创新包括：（1）设计一种深度学习方法，以学习l \'evy诱发的噪声的漂移和扩散系数，并在所有值中使用$ \ alpha $，（2）学习复杂的乘法噪声，而无需限制小噪声强度，（（ 3）在一般输入数据假设下，即随机系统识别的端到端完整框架，即$ \ alpha $稳定的随机变量。最后，数值实验和与非本地KRAMERS-MOYAL公式与力矩生成功能的比较证实了我们方法的有效性。

本论文主要涉及解决深层（时间）高斯过程（DGP）回归问题的状态空间方法。更具体地，我们代表DGP作为分层组合的随机微分方程（SDES），并且我们通过使用状态空间过滤和平滑方法来解决DGP回归问题。由此产生的状态空间DGP（SS-DGP）模型生成丰富的电视等级，与建模许多不规则信号/功能兼容。此外，由于他们的马尔可道结构，通过使用贝叶斯滤波和平滑方法可以有效地解决SS-DGPS回归问题。本论文的第二次贡献是我们通过使用泰勒力矩膨胀（TME）方法来解决连续离散高斯滤波和平滑问题。这诱导了一类滤波器和SmooThers，其可以渐近地精确地预测随机微分方程（SDES）解决方案的平均值和协方差。此外，TME方法和TME过滤器和SmoOthers兼容模拟SS-DGP并解决其回归问题。最后，本文具有多种状态 - 空间（深）GPS的应用。这些应用主要包括（i）来自部分观察到的轨迹的SDES的未知漂移功能和信号的光谱 - 时间特征估计。

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。

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。

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。

随机偏微分方程（SPDES）是在随机性影响下模拟动态系统的选择的数学工具。通过将搜索SPDE的温和解决方案作为神经定点问题，我们介绍了神经SPDE模型，以便从部分观察到的数据中使用（可能随机）的PDE溶液运营商。我们的模型为两类物理启发神经架构提供了扩展。一方面，它延伸了神经CDES，SDES，RDE - RNN的连续时间类似物，因为即使当后者在无限尺寸状态空间中演变时，它也能够处理进入的顺序信息。另一方面，它扩展了神经运营商 - 神经网络的概括到函数空间之间的模型映射 - 因为它可以用于学习解决方案运算符$（U_0，\ xi）\ MapSto U $同时上的SPDES初始条件$ u_0 $和驾驶噪声$ \ xi $的实现。神经SPDE是不变的，它可以使用基于记忆有效的隐式分化的反向化的训练，并且一旦接受训练，其评估比传统求解器快3个数量级。在包括2D随机Navier-Stokes方程的各种半线性SPDES的实验证明了神经间隙如何能够以更好的准确性学习复杂的时空动态，并仅使用适度的培训数据与所有替代模型相比。

从随机数据中揭示隐藏的动态是一个具有挑战性的问题，因为随机性参与了数据的发展。当在许多情况下没有随机数据的轨迹时，问题就变得非常复杂。在这里，我们提出了一种方法，可以根据fokker-planck（FP）方程的弱形式有效地建模随机数据的动力学，该方程控制了布朗工艺中密度函数的演变。将高斯函数作为弱形式的FP方程式的测试函数，我们将衍生物传递到高斯函数，从而将衍生物传递到高斯函数，从而通过数据的期望值近似弱形式。使用未知术语的字典表示，将线性系统构建，然后通过回归解决，从而揭示数据的未知动力学。因此，我们以弱搭配回归（WCK）方法为其三个关键组成部分命名该方法：弱形式，高斯核的搭配和回归。数值实验表明我们的方法是灵活而快速的，它在多维问题中揭示了几秒钟内的动力学，并且可以轻松地扩展到高维数据，例如20个维度。 WCR还可以正确地识别具有可变依赖性扩散和耦合漂移的复杂任务的隐藏动力学，并且性能很强，在添加噪声的情况下，在情况下达到了高精度。

连续数据的优化问题出现在，例如强大的机器学习，功能数据分析和变分推理。这里，目标函数被给出为一个（连续）索引目标函数的系列 - 相对于概率测量集成的族聚集。这些问题通常可以通过随机优化方法解决：在随机切换指标执行关于索引目标函数的优化步骤。在这项工作中，我们研究了随机梯度下降算法的连续时间变量，以进行连续数据的优化问题。该所谓的随机梯度过程包括最小化耦合与确定索引的连续时间索引过程的索引目标函数的梯度流程。索引过程是例如，反射扩散，纯跳跃过程或紧凑空间上的其他L evy过程。因此，我们研究了用于连续数据空间的多种采样模式，并允许在算法的运行时进行模拟或流式流的数据。我们分析了随机梯度过程的近似性质，并在恒定下进行了长时间行为和遍历的学习率。我们以噪声功能数据的多项式回归问题以及物理知识的神经网络在多项式回归问题中结束了随机梯度过程的适用性。

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。

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.

在高维度中整合时间依赖性的fokker-planck方程的选择方法是通过集成相关的随机微分方程来生成溶液中的样品。在这里，我们介绍了基于整合描述概率流的普通微分方程的替代方案。与随机动力学不同，该方程式在以后的任何时候都会从初始密度将样品从溶液中的样品推到样品。该方法具有直接访问数量的优势，这些数量挑战仅估算仅给定解决方案的样品，例如概率电流，密度本身及其熵。概率流程方程取决于溶液对数的梯度（其“得分”），因此A-Priori未知也是如此。为了解决这种依赖性，我们用一个深神网络对分数进行建模，该网络通过根据瞬时概率电流传播一组粒子来实现，该网络可以在直接学习中学习。我们的方法是基于基于得分的生成建模的最新进展，其重要区别是训练程序是独立的，并且不需要来自目标密度的样本才能事先可用。为了证明该方法的有效性，我们考虑了相互作用粒子系统物理学的几个示例。我们发现该方法可以很好地缩放到高维系统，并准确匹配可用的分析解决方案和通过蒙特卡洛计算的力矩。

在广泛的应用程序中，从观察到的数据中识别隐藏的动态是一项重大且具有挑战性的任务。最近，线性多步法方法（LMM）和深度学习的结合已成功地用于发现动力学，而对这种方法进行完整的收敛分析仍在开发中。在这项工作中，我们考虑了基于网络的深度LMM，以发现动态。我们使用深网的近似属性提出了这些方法的错误估计。它指出，对于某些LMMS的家庭，$ \ ell^2 $网格错误由$ O（H^p）$的总和和网络近似错误，其中$ h $是时间步长和$P $是本地截断错误顺序。提供了几个物理相关示例的数值结果，以证明我们的理论。

The purpose of this paper is to explore the use of deep learning for the solution of the nonlinear filtering problem. This is achieved by solving the Zakai equation by a deep splitting method, previously developed for approximate solution of (stochastic) partial differential equations. This is combined with an energy-based model for the approximation of functions by a deep neural network. This results in a computationally fast filter that takes observations as input and that does not require re-training when new observations are received. The method is tested on four examples, two linear in one and twenty dimensions and two nonlinear in one dimension. The method shows promising performance when benchmarked against the Kalman filter and the bootstrap particle filter.

尽管在整个科学和工程中都无处不在，但只有少数部分微分方程（PDE）具有分析或封闭形式的解决方案。这激发了有关PDE的数值模拟的大量经典工作，最近，对数据驱动技术的研究旋转了机器学习（ML）。最近的一项工作表明，与机器学习的经典数值技术的混合体可以对任何一种方法提供重大改进。在这项工作中，我们表明，在纳入基于物理学的先验时，数值方案的选择至关重要。我们以基于傅立叶的光谱方法为基础，这些光谱方法比其他数值方案要高得多，以模拟使用平滑且周期性解决方案的PDE。具体而言，我们为流体动力学的三个模型PDE开发了ML增强的光谱求解器，从而提高了标准光谱求解器在相同分辨率下的准确性。我们还展示了一些关键设计原则，用于将机器学习和用于解决PDE的数值方法结合使用。

计算科学和统计推断中的许多应用都需要计算有关具有未知归一化常数的复杂高维分布以及这些常数的估计。在这里，我们开发了一种基于从简单的基本分布生成样品，沿着速度场生成的流量运输的方法，并沿这些流程线执行平均值。这种非平衡重要性采样（NEIS）策略是直接实施的，可用于具有任意目标分布的计算。在理论方面，我们讨论了如何将速度场定制到目标，并建立所提出的估计器是一个完美的估计器，具有零变化。我们还通过将基本分布映射到目标上，通过传输图绘制了NEIS和方法之间的连接。在计算方面，我们展示了如何使用深度学习来代表神经网络，并将其训练为零方差最佳。这些结果在高维示例上进行了数值说明，我们表明训练速度场可以将NEIS估计量的方差降低至6个数量级，而不是Vanilla估计量。我们还表明，NEIS在这些示例上的表现要比NEAL的退火重要性采样（AIS）更好。

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.

我们分析了通过梯度流通过自洽动力场理论训练的无限宽度神经网络中的特征学习。我们构建了确定性动力学阶参数的集合，该参数是内部产物内核，用于在成对的时间点中，每一层中隐藏的单位激活和梯度，从而减少了通过训练对网络活动的描述。这些内核顺序参数共同定义了隐藏层激活分布，神经切线核的演变以及因此输出预测。我们表明，现场理论推导恢复了从Yang和Hu（2021）获得张量程序的无限宽度特征学习网络的递归随机过程。对于深线性网络，这些内核满足一组代数矩阵方程。对于非线性网络，我们提供了一个交替的采样过程，以求助于内核顺序参数。我们提供了与各种近似方案的自洽解决方案的比较描述。最后，我们提供了更现实的设置中的实验，这些实验表明，在CIFAR分类任务上，在不同宽度上保留了CNN的CNN的损耗和内核动力学。