为了测试一类深神经网络的泛化能力，我们基于John Conway的生活游戏，我们随机生成了2-D蜂窝自动机（CA）的大量不同规则集。使用这些规则，我们为每个CA实例计算多个轨迹。具有短路和长范围跳过连接的深度卷积编码器 - 解码器网络在各种生成的CA轨迹上培训，以预测给出其先前的州的下一个CA状态。结果表明，该网络能够学习各种，复杂的蜂窝自动机的规则，并概括到看不见的配置。在某种程度上，该网络显示统治集的概括和培训期间没有看到的邻域大小。重现实验的代码是公开可用的：https://github.com/slampai/一一化 - 细胞 - automata
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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。
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这是一门专门针对STEM学生开发的介绍性机器学习课程。我们的目标是为有兴趣的读者提供基础知识，以在自己的项目中使用机器学习，并将自己熟悉术语作为进一步阅读相关文献的基础。在这些讲义中，我们讨论受监督，无监督和强化学习。注释从没有神经网络的机器学习方法的说明开始，例如原理分析，T-SNE，聚类以及线性回归和线性分类器。我们继续介绍基本和先进的神经网络结构，例如密集的进料和常规神经网络，经常性的神经网络，受限的玻尔兹曼机器，（变性）自动编码器，生成的对抗性网络。讨论了潜在空间表示的解释性问题，并使用梦和对抗性攻击的例子。最后一部分致力于加强学习，我们在其中介绍了价值功能和政策学习的基本概念。
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在本文中，我们提出了一种深度学习技术，用于数据驱动的流体介质中波传播的预测。该技术依赖于基于注意力的卷积复发自动编码器网络（AB-CRAN）。为了构建波传播数据的低维表示，我们采用了基于转化的卷积自动编码器。具有基于注意力的长期短期记忆细胞的AB-CRAN体系结构构成了我们的深度神经网络模型，用于游行低维特征的时间。我们评估了针对标准复发性神经网络的拟议的AB-Cran框架，用于波传播的低维学习。为了证明AB-Cran模型的有效性，我们考虑了三个基准问题，即一维线性对流，非线性粘性汉堡方程和二维圣人浅水系统。我们的新型AB-CRAN结构使用基准问题的空间 - 时空数据集，可以准确捕获波幅度，并在长期范围内保留溶液的波特性。与具有长期短期记忆细胞的标准复发性神经网络相比，基于注意力的序列到序列网络增加了预测的时间莫。 Denoising自动编码器进一步减少了预测的平方平方误差，并提高了参数空间中的概括能力。
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我们分享了我们最近的发现，以试图培训通用分割网络的各种细胞类型和成像方式。我们的方法建立在广义的U-NET体系结构上，该体系结构允许单独评估每个组件。我们修改了传统的二进制培训目标，以包括三个类以进行直接实例细分。进行了有关培训方案，培训设置，网络骨架和各个模块的详细实验。我们提出的培训方案依次从每个数据集中吸取小匹配，并且在优化步骤之前积累了梯度。我们发现，培训通用网络的关键是所有数据集上的历史监督，并且有必要以公正的方式对每个数据集进行采样。我们的实验还表明，可能存在共同的特征来定义细胞类型和成像方式的细胞边界，这可以允许应用训练有素的模型完全看不见的数据集。一些培训技巧可以进一步提高细分性能，包括交叉渗透损失功能中的班级权重，精心设计的学习率调度程序，较大的图像作物以进行上下文信息以及不平衡类别的其他损失条款。我们还发现，由于它们更可靠的统计估计和更高的语义理解，分割性能可以受益于组规范化层和缺陷的空间金字塔池模块。我们参与了在IEEE国际生物医学成像研讨会（ISBI）2021举行的第六个细胞跟踪挑战（CTC）。我们的方法被评估为在主要曲目的初始提交期间，作为最佳亚军，并在额外的竞争中获得了第三名，以准备摘要出版物。
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The International Workshop on Reading Music Systems (WoRMS) is a workshop that tries to connect researchers who develop systems for reading music, such as in the field of Optical Music Recognition, with other researchers and practitioners that could benefit from such systems, like librarians or musicologists. The relevant topics of interest for the workshop include, but are not limited to: Music reading systems; Optical music recognition; Datasets and performance evaluation; Image processing on music scores; Writer identification; Authoring, editing, storing and presentation systems for music scores; Multi-modal systems; Novel input-methods for music to produce written music; Web-based Music Information Retrieval services; Applications and projects; Use-cases related to written music. These are the proceedings of the 3rd International Workshop on Reading Music Systems, held in Alicante on the 23rd of July 2021.
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尽管深度强化学习（RL）最近取得了许多成功，但其方法仍然效率低下，这使得在数据方面解决了昂贵的许多问题。我们的目标是通过利用未标记的数据中的丰富监督信号来进行学习状态表示，以解决这一问题。本文介绍了三种不同的表示算法，可以访问传统RL算法使用的数据源的不同子集使用：（i）GRICA受到独立组件分析（ICA）的启发，并训练深层神经网络以输出统计独立的独立特征。输入。 Grica通过最大程度地减少每个功能与其他功能之间的相互信息来做到这一点。此外，格里卡仅需要未分类的环境状态。 （ii）潜在表示预测（LARP）还需要更多的上下文：除了要求状态作为输入外，它还需要先前的状态和连接它们的动作。该方法通过预测当前状态和行动的环境的下一个状态来学习状态表示。预测器与图形搜索算法一起使用。 （iii）重新培训通过训练深层神经网络来学习国家表示，以学习奖励功能的平滑版本。该表示形式用于预处理输入到深度RL，而奖励预测指标用于奖励成型。此方法仅需要环境中的状态奖励对学习表示表示。我们发现，每种方法都有其优势和缺点，并从我们的实验中得出结论，包括无监督的代表性学习在RL解决问题的管道中可以加快学习的速度。
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能量供应和需求受到气象条件的影响。随着对可再生能源的需求增加，精确天气预报的相关性增加。能源提供者和决策者要求天气信息进行明智的选择，并根据业务目标建立最佳计划。由于最近应用于卫星图像的深度学习技术，使用遥感数据的天气预报也是主要进步的主题。本文通过基于U-Net的架构调查了荷兰沿海海洋元素的多个步骤框架预测。来自哥白尼观察计划的每小时数据在2年内跨过跨越2年的时间，用于培训模型并进行预测，包括季节性预测。我们提出了U-Net架构的变化，并使用剩余连接，并行卷积和不对称卷积进一步扩展了这一新颖模型，以便引入三种额外的架构。特别是，我们表明，配备有平行和不对称卷积的架构以及跳过连接优于其他三个讨论的模型。
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Alphazero，Leela Chess Zero和Stockfish Nnue革新了计算机国际象棋。本书对此类引擎的技术内部工作进行了完整的介绍。该书分为四个主要章节 - 不包括第1章（简介）和第6章（结论）：第2章引入神经网络，涵盖了所有用于构建深层网络的基本构建块，例如Alphazero使用的网络。内容包括感知器，后传播和梯度下降，分类，回归，多层感知器，矢量化技术，卷积网络，挤压网络，挤压和激发网络，完全连接的网络，批处理归一化和横向归一化和跨性线性单位，残留层，剩余层，过度效果和底漆。第3章介绍了用于国际象棋发动机以及Alphazero使用的经典搜索技术。内容包括minimax，alpha-beta搜索和蒙特卡洛树搜索。第4章展示了现代国际象棋发动机的设计。除了开创性的Alphago，Alphago Zero和Alphazero我们涵盖Leela Chess Zero，Fat Fritz，Fat Fritz 2以及有效更新的神经网络（NNUE）以及MAIA。第5章是关于实施微型α。 Shexapawn是国际象棋的简约版本，被用作为此的示例。 Minimax搜索可以解决六ap峰，并产生了监督学习的培训位置。然后，作为比较，实施了类似Alphazero的训练回路，其中通过自我游戏进行训练与强化学习结合在一起。最后，比较了类似α的培训和监督培训。
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Current learning machines have successfully solved hard application problems, reaching high accuracy and displaying seemingly "intelligent" behavior. Here we apply recent techniques for explaining decisions of state-of-the-art learning machines and analyze various tasks from computer vision and arcade games. This showcases a spectrum of problem-solving behaviors ranging from naive and short-sighted, to wellinformed and strategic. We observe that standard performance evaluation metrics can be oblivious to distinguishing these diverse problem solving behaviors. Furthermore, we propose our semi-automated Spectral Relevance Analysis that provides a practically effective way of characterizing and validating the behavior of nonlinear learning machines. This helps to assess whether a learned model indeed delivers reliably for the problem that it was conceived for. Furthermore, our work intends to add a voice of caution to the ongoing excitement about machine intelligence and pledges to evaluate and judge some of these recent successes in a more nuanced manner.
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具有经典数字求解器的湍流模拟需要非常高分辨率的网格来准确地解决动态。在这里，我们以低空间和时间分辨率培训学习模拟器，以捕获高分辨率产生的湍流动态。我们表明我们所提出的模型可以比各种科学相关指标的相同低分辨率的经典数字求解器更准确地模拟湍流动态。我们的模型从数据训练结束到底，能够以低分辨率学习一系列挑战性的混乱和动态动态，包括最先进的雅典娜++发动机产生的轨迹。我们表明，我们的更简单，通用体系结构优于来自所学到的湍流模拟文献的各种专业的湍流特异性架构。一般来说，我们看到学习的模拟器产生不稳定的轨迹;但是，我们表明调整训练噪音和时间下采样解决了这个问题。我们还发现，虽然超出培训分配的泛化是学习模型，训练噪声，卷积架构以及增加损失约束的挑战。广泛地，我们得出的结论是，我们所知的模拟器优于传统的求解器在较粗糙的网格上运行，并强调简单的设计选择可以提供稳定性和鲁棒的泛化。
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使用卷积神经网络（CNN）已经显着改善了几种图像处理任务，例如图像分类和对象检测。与Reset和Abseralnet一样，许多架构在创建时至少在一个数据集中实现了出色的结果。培训的一个关键因素涉及网络的正规化，这可以防止结构过度装备。这项工作分析了在过去几年中开发的几种正规化方法，显示了不同CNN模型的显着改进。该作品分为三个主要区域：第一个称为“数据增强”，其中所有技术都侧重于执行输入数据的更改。第二个，命名为“内部更改”，旨在描述修改神经网络或内核生成的特征映射的过程。最后一个称为“标签”，涉及转换给定输入的标签。这项工作提出了与关于正则化的其他可用调查相比的两个主要差异：（i）第一个涉及在稿件中收集的论文并非超过五年，并第二个区别是关于可重复性，即所有作品此处推荐在公共存储库中可用的代码，或者它们已直接在某些框架中实现，例如Tensorflow或Torch。
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现代光学卫星传感器使高分辨率立体声重建。但是在观察地球从空间推动立体声匹配时挑战成像条件。在实践中，由此产生的数字表面模型（DSM）相当嘈杂，并且通常不会达到3D城市建模等高分辨率应用所需的准确性。可以说，基于低电平图像相似性的立体声对应不足，并且应该互补关于超出基本局部平滑度的预期表面几何的先验知识。为此，我们介绍了Resptepth，这是一个卷积神经网络，其在示例数据之前学习如此表达几何。 Restepth在调节图像上的细化时改进初始原始的立体声DSM。即，它充当了一个智能，学习的后处理过滤器，可以无缝地补充任何立体声匹配管道。在一系列实验中，我们发现所提出的方法始终如一地改善了定量和定性的立体声DSM。我们表明，网络权重中的先前编码捕获了城市设计的有意义的几何特征，这也概括了不同地区，甚至从一个城市到另一个城市。此外，我们证明，通过对各种立体对的训练，RESPTH可以在成像条件和采集几何体中获得足够的不变性。
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在人群情景中，根据许多外部因素，预测行人的轨迹是一个复杂和具有挑战性的任务。场景的拓扑和行人之间的相互作用只是其中一些。由于数据 - 科学和数据收集技术的进步，深入学习方法最近成为众多域中的研究热点。因此，越来越多的研究人员对预测行人的轨迹应用这些方法并不令人惊讶。本文将这些相对较新的深度学习算法与基于经典知识的模型进行了比较，这些算法被广泛用于模拟行人动态。它为两种方法提供了全面的文献综述，探索了技术和应用面向差异，并解决了未来的问题以及未来的发展方向。我们的调查指出，由于深度学习算法的高准确性，现在，基于知识的模型来预测局部轨迹的内容是可疑的。然而，深度学习算法用于大规模模拟的能力和集体动态的描述仍有待证明。此外，比较表明，两种方法（混合方法）的组合似乎很有希望克服像深度学习方法的缺失解释性等缺点。
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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。
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嵌入大而冗余的数据，例如图像或文本，在较低维空间的层次结构中是表示方法的关键特征之一，如今，这些特征是一旦相信困难或不可能的问题，这些方法就可以为问题提供最新的解决方案解决。在这项工作中，在具有强大元回味的情节扭转中，我们展示了受过训练的深层模型与它们优化的数据一样多余，因此如何使用深度学习模型来嵌入深度学习模型。特别是，我们表明可以使用表示形式学习来学习经过训练的深层模型的固定大小，低维的嵌入空间，并且可以通过插值或优化来探索此类空间，以实现现成的模型。我们发现，可以学习相同体系结构和多个体系结构的多个实例的嵌入空间。我们解决了信号的图像分类和神经表示，表明如何学习我们的嵌入空间，以分别捕获性能和3D形状的概念。在多架结构的环境中，我们还展示了仅在架构子集中训练的嵌入方式如何才能学会生成已经训练的架构实例，从未在培训时看到实例化。
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离散的不变学习旨在在无限维函数空间中学习，其能力将功能的异质离散表示作为学习模型的输入和/或输出。本文提出了一个基于整体自动编码器（IAE-NET）的新型深度学习框架，用于离散不变学习。 IAE-NET的基本构建块由编码器和解码器组成，作为与数据驱动的内核的积分转换，以及编码器和解码器之间的完全连接的神经网络。这个基本的构建块并行地在宽的多通道结构中应用，该结构反复组成，形成了一个具有跳过连接作为IAE-NET的深度连接的神经网络。 IAE-NET接受了随机数据扩展的培训，该数据具有随机数据，以生成具有异质结构的培训数据，以促进离散化不变性学习的性能。提出的IAE-NET在预测数据科学中进行了各种应用，解决了科学计算中的前进和反向问题，以及信号/图像处理。与文献中的替代方案相比，IAE-NET在现有应用中实现了最先进的性能，并创建了广泛的新应用程序。
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模式形成过程中拓扑和微观结构方案中过渡的识别和分类对于理解和制造许多应用领域中的微观结构精确的新型材料至关重要。不幸的是，相关的微观结构过渡可能取决于以微妙而复杂的方式取决于过程参数，而经典相变理论未捕获。尽管有监督的机器学习方法可能对识别过渡制度很有用，但他们需要标签，这些标签需要先验了解订单参数或描述这些过渡的相关结构。由动态系统的通用原理的激励，我们使用一种自我监督的方法来解决使用神经网络从观察到的微观结构中预测过程参数的反问题。这种方法不需要关于不同类别的微观结构模式或预测微观结构过渡的目标任务的预定义的，标记的数据。我们表明，执行逆问题预测任务的困难与发现微观结构制度的目标有关，因为微观结构模式的定性变化与我们自我监督问题的不确定性预测的变化相对应。我们通过在两个不同的模式形成过程中自动发现微观结构方案中的过渡来证明我们的方法的价值：两相混合物的旋律分解以及在薄膜物理蒸气沉积过程中二进制合金浓度调制的形成。这种方法为发现和理解看不见的或难以辨认的过渡制度开辟了一个有希望的途径，并最终用于控制复杂的模式形成过程。
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手写数字识别（HDR）是光学特征识别（OCR）领域中最具挑战性的任务之一。不管语言如何，HDR都存在一些固有的挑战，这主要是由于个人跨个人的写作风格的变化，编写媒介和环境的变化，无法在反复编写任何数字等时保持相同的笔触。除此之外，特定语言数字的结构复杂性可能会导致HDR的模棱两可。多年来，研究人员开发了许多离线和在线HDR管道，其中不同的图像处理技术与传统的机器学习（ML）基于基于的和/或基于深度学习（DL）的体系结构相结合。尽管文献中存在有关HDR的广泛审查研究的证据，例如：英语，阿拉伯语，印度，法尔西，中文等，但几乎没有对孟加拉人HDR（BHDR）的调查，这缺乏对孟加拉语HDR（BHDR）的研究，而这些调查缺乏对孟加拉语HDR（BHDR）的研究。挑战，基础识别过程以及可能的未来方向。在本文中，已经分析了孟加拉语手写数字的特征和固有的歧义，以及二十年来最先进的数据集的全面见解和离线BHDR的方法。此外，还详细讨论了一些涉及BHDR的现实应用特定研究。本文还将作为对离线BHDR背后科学感兴趣的研究人员的汇编，煽动了对相关研究的新途径的探索，这可能会进一步导致在不同应用领域对孟加拉语手写数字进行更好的离线认识。
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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.
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