助焊剂反转是通过气体摩尔分数的观察来鉴定气体的源和沉积的过程。倒置通常涉及运行拉格朗日粒子分散模型（LPDM），以在感兴趣的空间领域之间产生观察结果和助熔剂之间的敏感性。 LPDM必须及时向后运行，以便每个气体测量，这可以计算地禁止。为了解决这个问题，在这里，我们开发了一种新的时空仿真器，用于使用卷积变分Autiachoder（CVAE）构建的LPDM敏感性。利用CVAE的编码器段，我们获得低维空间中的潜在变量的近似（变分）后分布。然后，我们在低维空间上使用时空高斯工艺仿真器在预测位置和时间点上模拟新变量。然后通过CVAE的解码器段来通过模拟变量以产生模拟的敏感性。我们表明，基于CVAE的仿真器优于使用经验正交功能的更传统的仿真器，并且它可以与不同的LPDM一起使用。我们得出结论，我们的仿真基方法可用于可靠地减少生成LPDM输出所需的计算时间，以便在高分辨率通量反转中使用。

风电场设计主要取决于风力涡轮机唤醒流向大气风条件的可变性，以及唤醒之间的相互作用。使用高保真度捕获唤醒流场的物理学模型是计算风电场的布局优化的计算非常昂贵，因此数据驱动的减少的订单模型可以代表模拟风电场的有效替代方案。在这项工作中，我们使用现实世界的光检测和测量（LIDAR）测量的风力涡轮机唤醒，用机器学习构建预测代理模型。具体而言，我们首先展示使用深度自动控制器来找到低维\ emph {潜在}空间，其给出了唤醒激光雷达测量的计算易逼近的近似。然后，我们学习使用深神经网络的参数空间和（潜在空间）唤醒流场之间的映射。此外，我们还展示了使用概率机器学习技术，即高斯过程建模，除了数据中的认知和炼拉内不确定性之外，学习参数空间潜空间映射。最后，为了应对培训大型数据集，我们展示了使用变分高斯过程模型，为大型数据集提供了传统的高斯工艺模型的传统高斯工艺模型。此外，我们介绍了主动学习以自适应地构建和改进传统的高斯过程模型预测能力。总的来说，我们发现我们的方法提供了风力涡轮机唤醒流场的准确近似，其可以以比具有基于高保真物理的模拟产生的级别更便宜的成本来查询。

识别异质电导率场并重建污染物释放历史是地下修复的关键方面。通过有限和嘈杂的液压头和集中度测量实现这两个目标是具有挑战性的。这些障碍包括解决高维参数的反问题，以及重复前进建模所需的高计算成本。我们使用卷积对抗自动编码器（CAAE）进行异质非高斯电导率场的参数化，并具有低维的潜在表示。此外，我们训练了三维密集的卷积编码器（密集）网络，以作为流和运输过程的正向替代。结合了CAAE和密度向前的替代模型，使用多个数据同化（ESMDA）算法的整体更平滑，用于从未知参数的贝叶斯后分布中进行采样，形成CAAE密集的ESMDA反转框架。我们在三维污染物源和电导率域识别问题中应用了这种CAAE密集的ESMDA反转框架。提供了CAAE-ESMDA与物理流和运输模拟器和CAAE密度浓度ESMDA的反转结果的比较，这表明以更高的计算效率实现了准确的重建结果。

人工智能（AI）和机器学习（ML）的最新表现突破，尤其是深度学习的进步（DL），功能强大，易于使用的ML库（例如Scikit-Learn，Tensorflow，Pytorch。），Pytorch。，Pytorch。。核工程师对AI/ML的前所未有的兴趣，并增加了计算能力。对于基于物理学的计算模型，已经广泛研究了验证，验证和不确定性定量（VVUQ），并且已经开发了许多方法。但是，ML模型的VVUQ的研究相对较少，尤其是在核工程中。在这项工作中，我们专注于ML模型的UQ作为ML VVUQ的初步步骤，更具体地说，是Deep Neural Networks（DNNS），因为它们是用于回归和分类任务的最广泛使用的监督ML算法。这项工作旨在量化DNN的预测或近似不确定性，当它们用作昂贵的物理模型的替代模型时。比较了DNN UQ的三种技术，即Monte Carlo辍学（MCD），深层合奏（DE）和贝叶斯神经网络（BNNS）。两个核工程示例用于基准这些方法，（1）使用野牛代码的时间依赖性裂变气体释放数据，以及（2）基于BFBT基准测试的无效分数模拟使用痕量代码。发现这三种方法通常需要不同的DNN体系结构和超参数来优化其性能。 UQ结果还取决于可用培训数据的量和数据的性质。总体而言，所有这三种方法都可以提供对近似不确定性的合理估计。当平均预测接近测试数据时，不确定性通常较小，而BNN方法通常会产生比MCD和DE更大的不确定性。

随机过程提供了数学上优雅的方式模型复杂数据。从理论上讲，它们为可以编码广泛有趣的假设的功能类提供了灵活的先验。但是，实际上，难以通过优化或边缘化来有效推断，这一问题进一步加剧了大数据和高维输入空间。我们提出了一种新颖的变性自动编码器（VAE），称为先前的编码变量自动编码器（$ \ pi $ vae）。 $ \ pi $ vae是有限的交换且Kolmogorov一致的，因此是一个连续的随机过程。我们使用$ \ pi $ vae学习功能类的低维嵌入。我们表明，我们的框架可以准确地学习表达功能类，例如高斯流程，也可以学习函数的属性以启用统计推断（例如log高斯过程的积分）。对于流行的任务，例如空间插值，$ \ pi $ vae在准确性和计算效率方面都达到了最先进的性能。也许最有用的是，我们证明了所学的低维独立分布的潜在空间表示提供了一种优雅，可扩展的方法，可以在概率编程语言（例如Stan）中对随机过程进行贝叶斯推断。

我们考虑基于活动的运输模拟器的校准和不确定性分析问题。基于活动的模型（ABM）依靠单个旅行者行为的统计模型来预测大都市地区的高阶旅行模式。输入参数通常是使用最大似然从旅行者调查中估算的。我们开发了一种使用高斯工艺模拟器使用流量流数据校准这些参数的方法。我们的方法扩展了传统的模拟器，以处理运输模拟器的高维和非平稳性。我们介绍了一个深度学习维度降低模型，该模型与高斯工艺模型共同估计以近似模拟器。我们使用几个模拟示例以及校准伊利诺伊州布卢明顿的关键参数来证明方法。

几个世纪以来，科学家一直观察到自然要了解支配物理世界的法律。将观察变成身体理解的传统过程很慢。构建和测试不完善的模型以解释数据中的关系。强大的新算法可以使计算机通过观察图像和视频来学习物理。受这个想法的启发，而不是使用物理量训练机器学习模型，我们使用了图像，即像素信息。对于这项工作和概念证明，感兴趣的物理学是风向的空间模式。这些现象包括风水沙丘和火山灰沉积，野火烟雾和空气污染羽状的特征。我们使用空间沉积模式的计算机模型仿真来近似假设成像设备的图像，其输出为红色，绿色和蓝色（RGB）颜色图像，通道值范围为0到255。在本文中，我们探索深度卷积神经网络基于基于风向的空间模式的关系，通常在地球科学中发生，并降低其尺寸。使用编码器降低数据维度大小，可以训练将地理和气象标量输入数量连接到编码空间的深层，完全连接的神经网络模型。一旦实现了这一目标，使用解码器重建了完整的空间模式。我们在污染源的空间沉积图像上证明了这种方法，其中编码器将维度压缩到原始大小的0.02％，并且测试数据上的完整预测模型性能的精度为92％。

神经网络最近显示出对无似然推理的希望，从而为经典方法提供了魔力的速度。但是，当从独立重复估计参数时，当前的实现是次优的。在本文中，我们使用决策理论框架来争辩说，如果这些模型的模拟很简单，则理想地放置了置换不变的神经网络，可用于为任意模型构造贝叶斯估计器。我们说明了这些估计量在传统空间模型以及高度参数化的空间发射模型上的潜力，并表明它们在其网络设计中不适当地说明复制的神经估计量相当大。同时，它们比基于传统可能性的估计量具有很高的竞争力和更快的速度。我们将估计量应用于红海中海面温度的空间分析，在训练之后，我们获得参数估计值，并通过引导采样对估计值进行不确定性定量，从一秒钟的数百个空间场中获取。

使用机器学习算法来预测复杂系统的行为正在蓬勃发展。但是，在包括燃烧在内的多物理问题中有效利用机器学习工具的关键是将它们与物理和计算机模型搭配使用。如果所有先验知识和物理约束都体现了这些工具的性能。换句话说，必须对科学方法进行调整，以使机器学习进入图片，并充分利用我们生成的大量数据，这要归功于数值计算的进步。本章回顾了一些开放的机会，用于应用燃烧系统的数据驱动的减少订单建模。提供了湍流燃烧数据，经验低维歧管（ELDM）识别，分类，回归和降低阶数模型中特征提取的示例。

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。

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。

我们从一组稀疏的光谱时间序列中构建了一个物理参数化的概率自动编码器（PAE），以学习IA型超新星（SNE IA）的内在多样性。 PAE是一个两阶段的生成模型，由自动编码器（AE）组成，该模型在使用归一化流（NF）训练后概率地解释。我们证明，PAE学习了一个低维的潜在空间，该空间可捕获人口内存在的非线性特征范围，并且可以直接从数据直接从数据中准确地对整个波长和观察时间进行精确模拟SNE IA的光谱演化。通过引入相关性惩罚项和多阶段训练设置以及我们的物理参数化网络，我们表明可以在训练期间分离内在和外在的可变性模式，从而消除了需要进行额外标准化的其他模型。然后，我们在SNE IA的许多下游任务中使用PAE进行越来越精确的宇宙学分析，包括自动检测SN Outliers，与数据分布一致的样本的产生以及在存在噪音和不完整数据的情况下解决逆问题限制宇宙距离测量。我们发现，与以前的研究相一致的最佳固有模型参数数量似乎是三个，并表明我们可以用$ 0.091 \ pm 0.010 $ mag标准化SNE IA的测试样本，该样本对应于$ 0.074 \ pm。 0.010 $ mag如果删除了特殊的速度贡献。训练有素的模型和代码在\ href {https://github.com/georgestein/supaernova} {github.com/georgestein/supaernova}上发布

传统上，基于标度律维模型已被用于参数对流换热岩类地行星像地球，火星，水星和金星的内部，以解决二维或三维高保真前插的计算瓶颈。然而，这些在物理它们可以建模（例如深度取决于材料特性），并预测只平均量的量的限制，例如平均温度地幔。我们最近发现，前馈神经网络（FNN），使用了大量的二维模拟可以克服这个限制和可靠地预测整个1D横向平均温度分布的演变，及时为复杂的模型训练。我们现在扩展该方法以预测的完整2D温度字段，它包含在对流结构如热羽状和冷downwellings的形式的信息。使用的地幔热演化的10,525二维模拟数据集火星般的星球，我们表明，深度学习技术能够产生可靠的参数代理人（即代理人即预测仅基于参数状态变量，如温度）底层偏微分方程。我们首先使用卷积自动编码由142倍以压缩温度场，然后使用FNN和长短期存储器网络（LSTM）来预测所述压缩字段。平均起来，FNN预测是99.30％，并且LSTM预测是准确相对于看不见模拟99.22％。在LSTM和FNN预测显示，尽管较低的绝对平均相对精度，LSTMs捕捉血流动力学优于FNNS适当的正交分解（POD）。当求和，从FNN预测和从LSTM预测量至96.51％，相对97.66％到原始模拟的系数，分别与POD系数。

引力波（GW）检测现在是普遍的，并且随着GW探测器的全球网络的灵敏度，我们将观察每年瞬态GW事件的$ \ MATHCAL {O}（100）美元。用于估计其源参数的目前的方法采用最佳敏感但是计算昂贵的贝叶斯推理方法，其中典型的分析在6小时和5天之间取。对于二元中子星和中子星黑洞系统提示，预计在1秒 - 1分钟的时间尺度和用于提醒EM随访观察员的最快方法，可以提供估计在$ \ mathcal {o }（1）$分钟，在有限的关键源参数范围内。在这里，我们表明，在二进制黑洞信号上预先培训的条件变形Autiachoder可以返回贝叶斯后概率估计。仅针对给定的先前参数空间执行一次训练程序，然后可以将所得培训的机器能够生成描述后部分配$ \ SIM 6 $幅度的样本比现有技术更快。

在2015年和2019年之间，地平线的成员2020年资助的创新培训网络名为“Amva4newphysics”，研究了高能量物理问题的先进多变量分析方法和统计学习工具的定制和应用，并开发了完全新的。其中许多方法已成功地用于提高Cern大型Hadron撞机的地图集和CMS实验所执行的数据分析的敏感性;其他几个人，仍然在测试阶段，承诺进一步提高基本物理参数测量的精确度以及新现象的搜索范围。在本文中，在研究和开发的那些中，最相关的新工具以及对其性能的评估。

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。

线性系统发生在整个工程和科学中，最著名的是差分方程。在许多情况下，系统的强迫函数尚不清楚，兴趣在于使用对系统的嘈杂观察来推断强迫以及其他未知参数。在微分方程中，强迫函数是自变量（通常是时间和空间）的未知函数，可以建模为高斯过程（GP）。在本文中，我们展示了如何使用GP内核的截断基础扩展，如何使用线性系统的伴随有效地推断成GP的功能。我们展示了如何实现截短的GP的确切共轭贝叶斯推断，在许多情况下，计算的计算大大低于使用MCMC方法所需的计算。我们证明了普通和部分微分方程系统的方法，并表明基础扩展方法与数量适中的基础向量相近。最后，我们展示了如何使用贝叶斯优化来推断非线性模型参数（例如内核长度尺度）的点估计值。

在许多环境环境中的风险管理需要了解驱动极端事件的机制。量化这种风险的有用指标是响应变量的极端分位数，该变量是基于描述气候，生物圈和环境状态的预测变量的。通常，这些分位数位于可观察数据的范围之内，因此，为了估算，需要在回归框架内规范参数极值模型。在这种情况下，经典方法利用预测变量和响应变量之间的线性或加性关系，并在其预测能力或计算效率中受苦；此外，它们的简单性不太可能捕获导致极端野火创造的真正复杂结构。在本文中，我们提出了一个新的方法学框架，用于使用人工中性网络执行极端分位回归，该网络能够捕获复杂的非线性关系并很好地扩展到高维数据。神经网络的“黑匣子”性质意味着它们缺乏从业者通常会喜欢的可解释性的理想特征。因此，我们将线性和加法模型的各个方面与深度学习相结合，以创建可解释的神经网络，这些神经网络可用于统计推断，但保留了高预测准确性。为了补充这种方法，我们进一步提出了一个新颖的点过程模型，以克服与广义极值分布类别相关的有限的下端问题。我们的统一框架的功效在具有高维预测器集的美国野火数据上说明了，我们说明了基于线性和基于样条的回归技术的预测性能的大幅改进。

映射近场污染物的浓度对于跟踪城市地区意外有毒羽状分散体至关重要。通过求解大部分湍流谱，大型模拟（LES）具有准确表示污染物浓度空间变异性的潜力。找到一种合成大量信息的方法，以提高低保真操作模型的准确性（例如，提供更好的湍流封闭条款）特别有吸引力。这是一个挑战，在多质量环境中，LES的部署成本高昂，以了解羽流和示踪剂分散如何随着各种大气和源参数的变化。为了克服这个问题，我们提出了一个合并正交分解（POD）和高斯过程回归（GPR）的非侵入性降低阶模型，以预测与示踪剂浓度相关的LES现场统计。通过最大的后验（MAP）过程，GPR HyperParameter是通过POD告知的最大后验（MAP）过程来优化组件的。我们在二维案例研究上提供了详细的分析，该案例研究对应于表面安装的障碍物上的湍流大气边界层流。我们表明，障碍物上游的近源浓度异质性需要大量的POD模式才能得到充分捕获。我们还表明，逐组分的优化允许捕获POD模式中的空间尺度范围，尤其是高阶模式中较短的浓度模式。如果学习数据库由至少五十至100个LES快照制成，则可以首先估算所需的预算，以朝着更逼真的大气分散应用程序迈进，因此减少订单模型的预测仍然可以接受。

We present the GPry algorithm for fast Bayesian inference of general (non-Gaussian) posteriors with a moderate number of parameters. GPry does not need any pre-training, special hardware such as GPUs, and is intended as a drop-in replacement for traditional Monte Carlo methods for Bayesian inference. Our algorithm is based on generating a Gaussian Process surrogate model of the log-posterior, aided by a Support Vector Machine classifier that excludes extreme or non-finite values. An active learning scheme allows us to reduce the number of required posterior evaluations by two orders of magnitude compared to traditional Monte Carlo inference. Our algorithm allows for parallel evaluations of the posterior at optimal locations, further reducing wall-clock times. We significantly improve performance using properties of the posterior in our active learning scheme and for the definition of the GP prior. In particular we account for the expected dynamical range of the posterior in different dimensionalities. We test our model against a number of synthetic and cosmological examples. GPry outperforms traditional Monte Carlo methods when the evaluation time of the likelihood (or the calculation of theoretical observables) is of the order of seconds; for evaluation times of over a minute it can perform inference in days that would take months using traditional methods. GPry is distributed as an open source Python package (pip install gpry) and can also be found at https://github.com/jonaselgammal/GPry.