对于许多工程应用，例如实时模拟或控制，潜在的非线性问题的传统解决方案技术通常是过于计算的。在这项工作中，我们提出了一种高效的深度学习代理框架，能够预测负载下的超弹性体的响应。代理模型采用特殊的卷积神经网络架构，所谓的U-Net的形式，其具有用有限元方法获得的力 - 位移数据训练。我们提出了框架的确定性和概率版本，并研究了三个基准问题。特别是，我们检查最大可能性和变分贝叶斯推论配方的能力，以评估解决方案的置信区间。

Deep learning surrogate models are being increasingly used in accelerating scientific simulations as a replacement for costly conventional numerical techniques. However, their use remains a significant challenge when dealing with real-world complex examples. In this work, we demonstrate three types of neural network architectures for efficient learning of highly non-linear deformations of solid bodies. The first two architectures are based on the recently proposed CNN U-NET and MAgNET (graph U-NET) frameworks which have shown promising performance for learning on mesh-based data. The third architecture is Perceiver IO, a very recent architecture that belongs to the family of attention-based neural networks--a class that has revolutionised diverse engineering fields and is still unexplored in computational mechanics. We study and compare the performance of all three networks on two benchmark examples, and show their capabilities to accurately predict the non-linear mechanical responses of soft bodies.

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。

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。

基于神经网络的数据驱动操作员学习方案在计算力学中显示出巨大的潜力。 DeWonet是一种这样的神经网络体系结构，由于其出色的预测能力，它广泛赞赏。话虽如此，在确定性框架中设定的deponet架构面临过度拟合，概括不良和其不变形式的风险，因此无法量化与预测相关的不确定性。我们在本文中提出了一种用于操作员学习的跨贝叶斯迪维诺内特（VB-Deeponet），可以在很大程度上减轻deponet架构的这些局限性，并为用户提供有关预测阶段相关不确定性的更多信息。贝叶斯框架中设定的神经网络背后的关键思想是，神经网络的权重和偏见被视为概率分布而不是点估计，并且使用贝叶斯推理来更新其先前的分布。现在，为了管理与近似后验分布相关的计算成本，提出的VB-Deeponet使用\ textIt {变异推理}。与马尔可夫链蒙特卡洛方案不同，变异推理具有考虑高维后分布的能力，同时保持相关的计算成本较低。涵盖力学问题的不同示例，例如扩散反应，重力摆，对流扩散，以说明了所提出的VB-Deeponet的性能，并且在确定性框架中也对Deeponet集进行了比较。

我们建议使用贝叶斯推理和深度神经网络的技术，将地震成像中的不确定性转化为图像上执行的任务的不确定性，例如地平线跟踪。地震成像是由于带宽和孔径限制，这是一个不良的逆问题，由于噪声和线性化误差的存在而受到阻碍。但是，许多正规化方法，例如变形域的稀疏性促进，已设计为处理这些错误的不利影响，但是，这些方法具有偏向解决方案的风险，并且不提供有关图像空间中不确定性的信息以及如何提供信息。不确定性会影响图像上的某些任务。提出了一种系统的方法，以将由于数据中的噪声引起的不确定性转化为图像中自动跟踪视野的置信区间。不确定性的特征是卷积神经网络（CNN）并评估这些不确定性，样品是从CNN权重的后验分布中得出的，用于参数化图像。与传统先验相比，文献中认为，这些CNN引入了灵活的感应偏见，这非常适合各种问题。随机梯度Langevin动力学的方法用于从后验分布中采样。该方法旨在处理大规模的贝叶斯推理问题，即具有地震成像中的计算昂贵的远期操作员。除了提供强大的替代方案外，最大的后验估计值容易过度拟合外，访问这些样品还可以使我们能够在数据中的噪声中转换图像中的不确定性，以便在跟踪的视野上不确定性。例如，它承认图像上的重点标准偏差和自动跟踪视野的置信区间的估计值。

在这项工作中，我们使用变分推论来量化无线电星系分类的深度学习模型预测的不确定性程度。我们表明，当标记无线电星系时，个体测试样本的模型后差水平与人类不确定性相关。我们探讨了各种不同重量前沿的模型性能和不确定性校准，并表明稀疏事先产生更良好的校准不确定性估计。使用单个重量的后部分布，我们表明我们可以通过从最低信噪比（SNR）中除去权重来修剪30％的完全连接的层权重，而无需显着损失性能。我们证明，可以使用基于Fisher信息的排名来实现更大程度的修剪，但我们注意到两种修剪方法都会影响Failaroff-Riley I型和II型无线电星系的不确定性校准。最后，我们表明，与此领域的其他工作相比，我们经历了冷的后效，因此后部必须缩小后加权以实现良好的预测性能。我们检查是否调整成本函数以适应模型拼盘可以弥补此效果，但发现它不会产生显着差异。我们还研究了原则数据增强的效果，并发现这改善了基线，而且还没有弥补观察到的效果。我们将其解释为寒冷的后效，因为我们的培训样本过于有效的策划导致可能性拼盘，并将其提高到未来无线电银行分类的潜在问题。

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.

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， 。

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。

我们制定了一类由物理驱动的深层变量模型（PDDLVM），以学习参数偏微分方程（PDES）的参数到解决方案（正向）和解决方案到参数（逆）图。我们的公式利用有限元方法（FEM），深神经网络和概率建模来组装一个深层概率框架，在该框架中，向前和逆图通过连贯的不确定性量化近似。我们的概率模型明确合并了基于参数PDE的密度和可训练的解决方案到参数网络，而引入的摊销变异家庭假定参数到解决方案网络，所有这些网络均经过联合培训。此外，所提出的方法不需要任何昂贵的PDE解决方案，并且仅在训练时间内对物理信息进行了信息，该方法允许PDE的实时仿真和培训后的逆问题解决方案的产生，绕开了对FEM操作的需求，以相当的准确性，以便于FEM解决方案。提出的框架进一步允许无缝集成观察到的数据，以解决反问题和构建生成模型。我们证明了方法对非线性泊松问题，具有复杂3D几何形状的弹性壳以及整合通用物理信息信息的神经网络（PINN）体系结构的有效性。与传统的FEM求解器相比，训练后，我们最多达到了三个数量级的速度，同时输出连贯的不确定性估计值。

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.

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。

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。

物理信息神经网络（PINN）能够找到给定边界值问题的解决方案。我们使用有限元方法（FEM）的几个想法来增强工程问题中现有的PINN的性能。当前工作的主要贡献是促进使用主要变量的空间梯度作为分离神经网络的输出。后来，具有较高衍生物的强形式应用于主要变量的空间梯度作为物理约束。此外，该问题的所谓能量形式被应用于主要变量，作为训练的附加约束。所提出的方法仅需要一阶导数来构建物理损失函数。我们讨论了为什么通过不同模型之间的各种比较，这一点是有益的。基于配方混合的PINN和FE方法具有一些相似之处。前者利用神经网络的复杂非线性插值将PDE及其能量形式最小化及其能量形式，而后者则在元素节点借助Shape函数在元素节点上使用相同。我们专注于异质固体，以显示深学习在不同边界条件下在复杂环境中预测解决方案的能力。针对FEM的解决方案对两个原型问题的解决方案进行了检查：弹性和泊松方程（稳态扩散问题）。我们得出的结论是，通过正确设计PINN中的网络体系结构，深度学习模型有可能在没有其他来源的任何可用初始数据中解决异质域中的未知数。最后，关于Pinn和FEM的组合进行了讨论，以在未来的开发中快速准确地设计复合材料。

人工神经网络无法评估其预测的不确定性是对它们广泛使用的障碍。我们区分了两种类型的可学习不确定性：由于缺乏训练数据和噪声引起的观察不确定性而导致的模型不确定性。贝叶斯神经网络使用坚实的数学基础来学习其预测的模型不确定性。观察不确定性可以通过在这些网络中添加一层并增强其损失功能来计算观察不确定性。我们的贡献是将这些不确定性概念应用于预测过程监控任务中，以训练基于不确定性的模型以预测剩余时间和结果。我们的实验表明，不确定性估计值允许分化更多和不准确的预测，并在回归和分类任务中构建置信区间。即使在运行过程的早期阶段，这些结论仍然是正确的。此外，部署的技术是快速的，并产生了更准确的预测。学习的不确定性可以增加用户对其流程预测系统的信心，促进人类与这些系统之间的更好合作，并通过较小的数据集实现早期的实施。

远期操作员的计算成本和选择适当的先前分布的计算成本挑战了贝叶斯对高维逆问题的推断。摊销的变异推理解决了这些挑战，在这些挑战中，训练神经网络以近似于现有模型和数据对的后验分布。如果以前看不见的数据和正态分布的潜在样品作为输入，则预处理的深神经网络（在我们的情况下是有条件的正常化流量）几乎没有成本的后验样品。然而，这种方法的准确性取决于高保真训练数据的可用性，由于地球的异质结构，由于地球物理逆问题很少存在。此外，准确的摊销变异推断需要从训练数据分布中汲取观察到的数据。因此，我们建议通过基于物理学的校正对有条件的归一化流量分布来提高摊销变异推断的弹性。为了实现这一目标，我们不是标准的高斯潜在分布，我们通过具有未知平均值和对角线协方差的高斯分布来对潜在分布进行参数化。然后，通过最小化校正后分布和真实后验分布之间的kullback-leibler差异来估算这些未知数量。尽管通用和适用于其他反问题，但通过地震成像示例，我们表明我们的校正步骤可提高摊销变异推理的鲁棒性，以相对于源实验数量的变化，噪声方差以及先前分布的变化。这种方法提供了伪像有限的地震图像，并评估其不确定性，其成本大致与五个反度迁移相同。

我们提出了一个数据驱动的框架，以提高软组织结构分析中显式有限元方法的计算效率。编码器解码器长短期内存深神经网络是根据由显式，分布式有限元求解器产生的数据训练的。我们利用该网络预测共享节点处的同步位移，从而最大程度地减少处理器之间的通信量。我们执行广泛的数值实验，以量化提出的避免同步算法的准确性和稳定性。

我们提出了一种基于深度学习的代理模型，用于解决高维不确定性量化和不确定性传播问题。通过将众所周知的U-Net架构与高斯门控线性网络（GGLN）集成并称为所界线线性网络引起的U-Net或Glu-Net，通过将众所周知的U-Net架构进行了开发了建议的深度学习架构。所提出的Glu-Net将不确定性传播问题视为图像回归的图像，因此是极其数据效率。此外，它还提供了预测性不确定性的估计。 Glu-Net的网络架构不太复杂，参数比当代作品较少44 \％。我们说明了所提议的Glu-net在稀疏数据场景下在不确定性下解决达西流动问题的表现。我们认为随机输入维度最高可达4225.使用香草蒙特卡罗模拟产生基准结果。即使没有关于输入的结构的信息提供对网络的结构的信息，我们也观察到所提出的Glu-Net是准确的，非常有效。通过改变训练样本大小和随机输入维度来进行案例研究以说明所提出的方法的稳健性。

我们使用高斯随机重量平均（赃物）来评估与基于神经网络的功能近似相关的模型不确定性与流体流有关。赃物在给定训练数据和恒定学习率的情况下近似每个重量的后高斯分布。有了访问此分布，它能够创建具有各种采样权重组合的多个模型，可用于获得集合预测。这种合奏的平均值可以视为“平均估计”，而其标准偏差则可以用于构建“置信区间”，这使我们能够在神经网络的训练过程中执行不确定性定量（UQ）。我们在以下情况下利用代表性的基于神经网络的功能近似任务：（i）二维圆形缸唤醒； （ii）Daymet数据集（北美的最高每日温度）； （iii）三维方缸唤醒； （iv）城市流程，以评估当前思想在各种复杂数据集中的普遍性。无论网络体系结构如何，都可以应用基于赃物的UQ，因此，我们证明了该方法对两种类型的神经网络的适用性：（i）通过结合卷积神经网络（CNN）和Multi-i-Encompruction。图层感知器（MLP）; （ii）来自具有二维CNN的截面数据的远场状态估计。我们发现，赃物可以从模型形式不确定性的角度获得物理上介入的置信区间估计。该能力支持其用于科学和工程方面的各种问题。