Koopman运算符将非线性动力学模型为线性动力学系统，该系统作用于非线性函数作为状态。这种非标准状态通常被称为可观察到的koopman，通常通过从\ textit {dictionary}绘制的函数的叠加来近似数值。广泛使用的算法是\ textit {扩展动态模式分解}，其中字典函数是从固定的均匀函数类中绘制的。最近，深度学习与EDMD相结合已被用来通过称为“深度动态模式分解（DEEPDMD）”的算法学习新的字典函数。学到的表示（1）都准确地模型，并且（2）与原始非线性系统的尺寸相当地缩放。在本文中，我们从deepDMD分析了学习的词典，并探索了其强劲性能的理论基础。我们发现了一类新型的字典函数，以近似Koopman可观察结果。这些字典函数的错误分析表明它们满足子空间近似的属性，我们将其定义为统一的有限近似闭合。我们发现，从不同类别的非线性函数绘制的异质词典函数的结构化混合达到了与DEEPDMD相同的精度和尺寸缩放。该混合词典以降低参数的数量级来进行，同时保持几何可解释性。我们的结果提供了一个假设，可以解释深度神经网络在学习数值近似值对Koopman操作员的成功。

This work builds on the models and concepts presented in part 1 to learn approximate dictionary representations of Koopman operators from data. Part I of this paper presented a methodology for arguing the subspace invariance of a Koopman dictionary. This methodology was demonstrated on the state-inclusive logistic lifting (SILL) basis. This is an affine basis augmented with conjunctive logistic functions. The SILL dictionary's nonlinear functions are homogeneous, a norm in data-driven dictionary learning of Koopman operators. In this paper, we discover that structured mixing of heterogeneous dictionary functions drawn from different classes of nonlinear functions achieve the same accuracy and dimensional scaling as the deep-learning-based deepDMD algorithm. We specifically show this by building a heterogeneous dictionary comprised of SILL functions and conjunctive radial basis functions (RBFs). This mixed dictionary achieves the same accuracy and dimensional scaling as deepDMD with an order of magnitude reduction in parameters, while maintaining geometric interpretability. These results strengthen the viability of dictionary-based Koopman models to solving high-dimensional nonlinear learning problems.

Koopman operators model nonlinear dynamics as a linear dynamic system acting on a nonlinear function as the state. This nonstandard state is often called a Koopman observable and is usually approximated numerically by a superposition of functions drawn from a dictionary. In a widely used algorithm, Extended Dynamic Mode Decomposition, the dictionary functions are drawn from a fixed class of functions. Recently, deep learning combined with EDMD has been used to learn novel dictionary functions in an algorithm called deep dynamic mode decomposition (deepDMD). The learned representation both (1) accurately models and (2) scales well with the dimension of the original nonlinear system. In this paper we analyze the learned dictionaries from deepDMD and explore the theoretical basis for their strong performance. We explore State-Inclusive Logistic Lifting (SILL) dictionary functions to approximate Koopman observables. Error analysis of these dictionary functions show they satisfy a property of subspace approximation, which we define as uniform finite approximate closure. Our results provide a hypothesis to explain the success of deep neural networks in learning numerical approximations to Koopman operators. Part 2 of this paper will extend this explanation by demonstrating the subspace invariant of heterogeneous dictionaries and presenting a head-to-head numerical comparison of deepDMD and low-parameter heterogeneous dictionary learning.

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。

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。

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。

基于近似基础的Koopman操作员或发电机的数据驱动的非线性动力系统模型已被证明是预测，功能学习，状态估计和控制的成功工具。众所周知，用于控制膜系统的Koopman发电机还对输入具有仿射依赖性，从而导致动力学的方便有限维双线性近似。然而，仍然存在两个主要障碍，限制了当前方法的范围，以逼近系统的koopman发电机。首先，现有方法的性能在很大程度上取决于要近似Koopman Generator的基础函数的选择；目前，目前尚无通用方法来为无法衡量保存的系统选择它们。其次，如果我们不观察到完整的状态，我们可能无法访问足够丰富的此类功能来描述动态。这是因为在有驱动时，通常使用时间延迟的可观察物的方法失败。为了解决这些问题，我们将Koopman Generator控制的可观察到的动力学写为双线性隐藏Markov模型，并使用预期最大化（EM）算法确定模型参数。 E-Step涉及标准的Kalman滤波器和更光滑，而M-Step类似于发电机的控制效果模式分解。我们在三个示例上证明了该方法的性能，包括恢复有限的Koopman-Invariant子空间，用于具有缓慢歧管的驱动系统；估计非强制性行驶方程的Koopman本征函数；仅基于提升和阻力的嘈杂观察，对流体弹球系统的模型预测控制。

我们提出了一种从数据模拟动态系统的数值方法。我们使用最近引入的方法可扩展的概率近似（SPA）从欧几里德空间到凸多台的项目点，并表示在新的低维坐标中的系统的预计状态，表示其在多晶硅中的位置。然后，我们介绍特定的非线性变换，以构建多特渗透中动力学的模型，并转换回原始状态空间。为了克服投影到低维层的潜在信息损失，我们在局部延迟嵌入定理的意义上使用记忆。通过施工，我们的方法产生稳定的模型。我们说明了在各种示例上具有多个连接组件的甚至复制混沌动力学和吸引子的方法的能力。

数据科学和机器学习的进展已在非线性动力学系统的建模和模拟方面取得了重大改进。如今，可以准确预测复杂系统，例如天气，疾病模型或股市。预测方法通常被宣传为对控制有用，但是由于系统的复杂性，较大的数据集的需求以及增加的建模工作，这些细节经常没有得到解答。换句话说，自治系统的替代建模比控制系统要容易得多。在本文中，我们介绍了Quasimodo框架（量化模拟模拟模拟 - 优化），以将任意预测模型转换为控制系统，从而使数据驱动的替代模型的巨大进步可访问控制系统。我们的主要贡献是，我们通过自动化动力学（产生混合企业控制问题）来贸易控制效率，以获取任意，即使用的自主替代建模技术。然后，我们通过利用混合成员优化的最新结果来恢复原始问题的复杂性。 Quasimodo的优点是数据要求在控制维度方面的线性增加，性能保证仅依赖于使用的预测模型的准确性，而控制理论中的知识知识要求很少来解决复杂的控制问题。

Koopman运算符全球线性化非线性动力学系统及其光谱信息是分析和分解非线性动力学系统的强大工具。但是，Koopman运营商是无限维度的，计算其光谱信息是一个巨大的挑战。我们介绍了Measure-tearving扩展动态模式分解（$ \ texttt {mpedmd} $），这是第一种截断方法，其特征性组件收敛到koopman运算符的光谱，以用于一般测量的动态系统。 $ \ texttt {mpedmd} $是基于正交式procrustes问题的数据驱动算法，该问题使用可观察的一般字典来强制测量Koopman运算符的截断。它具有灵活性且易于使用的任何预先存在的DMD类型方法，并且具有不同类型的数据。我们证明了$ \ texttt {mpedmd} $的融合，用于投影值和标量值光谱测量，光谱和koopman模式分解。对于延迟嵌入（Krylov子空间）的情况，我们的结果包括随着字典的大小增加，光谱测量近似值的第一个收敛速率。我们在一系列具有挑战性的示例中演示了$ \ texttt {mpedmd} $，与其他DMD型方法相比，其对噪声的稳健性提高，以及其捕获湍流边界层实验测量的能源保存和级联反应的能力，并以Reynolds的方式流动。数字$> 6 \ times 10^4 $和状态空间尺寸$> 10^5 $。

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。

我们建议采用统计回归作为投影操作员，以使数据驱动以数据为基础的Mori-Zwanzig形式主义中的运营商学习。我们提出了一种原则性方法，用于为任何回归模型提取Markov和内存操作员。我们表明，线性回归的选择导致了基于Mori的投影操作员最近提出的数据驱动的学习算法，这是一种高阶近似Koopman学习方法。我们表明，更具表现力的非线性回归模型自然填补了高度理想化和计算有效的MORI投影操作符和最佳迄今为止计算上最佳的Zwanzig投影仪之间的差距。我们进行了数值实验，并提取了一系列基于回归的投影的运算符，包括线性，多项式，样条和基于神经网络的回归，随着回归模型的复杂性的增加而显示出渐进的改进。我们的命题提供了一个通用框架来提取内存依赖性校正，并且可以轻松地应用于文献中固定动力学系统的一系列数据驱动的学习方法。

近期在应用于培训深度神经网络和数据分析中的其他优化问题中的非凸优化的优化算法的兴趣增加，我们概述了最近对非凸优化优化算法的全球性能保证的理论结果。我们从古典参数开始，显示一般非凸面问题无法在合理的时间内有效地解决。然后，我们提供了一个问题列表，可以通过利用问题的结构来有效地找到全球最小化器，因为可能的问题。处理非凸性的另一种方法是放宽目标，从找到全局最小，以找到静止点或局部最小值。对于该设置，我们首先为确定性一阶方法的收敛速率提出了已知结果，然后是最佳随机和随机梯度方案的一般理论分析，以及随机第一阶方法的概述。之后，我们讨论了非常一般的非凸面问题，例如最小化$ \ alpha $ -weakly-are-convex功能和满足Polyak-lojasiewicz条件的功能，这仍然允许获得一阶的理论融合保证方法。然后，我们考虑更高阶和零序/衍生物的方法及其收敛速率，以获得非凸优化问题。

非线性自适应控制理论中的一个关键假设是系统的不确定性可以在一组已知基本函数的线性跨度中表示。虽然该假设导致有效的算法，但它将应用限制为非常特定的系统类别。我们介绍一种新的非参数自适应算法，其在参数上学习无限尺寸密度，以取消再现内核希尔伯特空间中的未知干扰。令人惊讶的是，所产生的控制输入承认，尽管其底层无限尺寸结构，但是尽管它的潜在无限尺寸结构实现了其实施的分析表达。虽然这种自适应输入具有丰富和富有敏感性的 - 例如，传统的线性参数化 - 其计算复杂性随时间线性增长，使其比其参数对应力相对较高。利用随机傅里叶特征的理论，我们提供了一种有效的随机实现，该实现恢复了经典参数方法的复杂性，同时可透明地保留非参数输入的表征性。特别地，我们的显式范围仅取决于系统的基础参数，允许我们所提出的算法有效地缩放到高维系统。作为该方法的说明，我们展示了随机近似算法学习由牛顿重力交互的十点批量组成的60维系统的预测模型的能力。

这项调查的目的是介绍对深神经网络的近似特性的解释性回顾。具体而言，我们旨在了解深神经网络如何以及为什么要优于其他经典线性和非线性近似方法。这项调查包括三章。在第1章中，我们回顾了深层网络及其组成非线性结构的关键思想和概念。我们通过在解决回归和分类问题时将其作为优化问题来形式化神经网络问题。我们简要讨论用于解决优化问题的随机梯度下降算法以及用于解决优化问题的后传播公式，并解决了与神经网络性能相关的一些问题，包括选择激活功能，成本功能，过度适应问题和正则化。在第2章中，我们将重点转移到神经网络的近似理论上。我们首先介绍多项式近似中的密度概念，尤其是研究实现连续函数的Stone-WeierStrass定理。然后，在线性近似的框架内，我们回顾了馈电网络的密度和收敛速率的一些经典结果，然后在近似Sobolev函数中进行有关深网络复杂性的最新发展。在第3章中，利用非线性近似理论，我们进一步详细介绍了深度和近似网络与其他经典非线性近似方法相比的近似优势。

扩展动态模式分解（EDMD）是一种流行的数据驱动方法，可近似Koopman运算符对函数字典跨越线性函数空间的作用。 EDMD模型的准确性在很大程度上取决于特定字典跨度的质量，特别是在Koopman操作员下与不变的距离有多近。通过观察到的观察，即EDMD的残余误差通常用于字典学习，并不能编码功能空间的质量，并且对基础的选择很敏感，我们介绍了一致性索引的新颖概念。我们表明，基于及时使用EDMD向后和向后的措施，享有许多理想的品质，使其适合于数据驱动的动态系统建模：它测量功能空间的质量，在选择下是不变的例如，可以从数据中以封闭形式计算，并为整个字典的所有函数预测的相对均方根误差提供了一个紧密的上限。

High-dimensional PDEs have been a longstanding computational challenge. We propose to solve highdimensional PDEs by approximating the solution with a deep neural network which is trained to satisfy the differential operator, initial condition, and boundary conditions. Our algorithm is meshfree, which is key since meshes become infeasible in higher dimensions. Instead of forming a mesh, the neural network is trained on batches of randomly sampled time and space points. The algorithm is tested on a class of high-dimensional free boundary PDEs, which we are able to accurately solve in up to 200 dimensions. The algorithm is also tested on a high-dimensional Hamilton-Jacobi-Bellman PDE and Burgers' equation. The deep learning algorithm approximates the general solution to the Burgers' equation for a continuum of different boundary conditions and physical conditions (which can be viewed as a high-dimensional space). We call the algorithm a "Deep Galerkin Method (DGM)" since it is similar in spirit to Galerkin methods, with the solution approximated by a neural network instead of a linear combination of basis functions. In addition, we prove a theorem regarding the approximation power of neural networks for a class of quasilinear parabolic PDEs.

度量的运输提供了一种用于建模复杂概率分布的多功能方法，并具有密度估计，贝叶斯推理，生成建模及其他方法的应用。单调三角传输地图$ \ unicode {x2014} $近似值$ \ unicode {x2013} $ rosenblatt（kr）重新安排$ \ unicode {x2014} $是这些任务的规范选择。然而，此类地图的表示和参数化对它们的一般性和表现力以及对从数据学习地图学习（例如，通过最大似然估计）出现的优化问题的属性产生了重大影响。我们提出了一个通用框架，用于通过平滑函数的可逆变换来表示单调三角图。我们建立了有关转化的条件，以使相关的无限维度最小化问题没有伪造的局部最小值，即所有局部最小值都是全球最小值。我们展示了满足某些尾巴条件的目标分布，唯一的全局最小化器与KR地图相对应。鉴于来自目标的样品，我们提出了一种自适应算法，该算法估计了基础KR映射的稀疏半参数近似。我们证明了如何将该框架应用于关节和条件密度估计，无可能的推断以及有向图形模型的结构学习，并在一系列样本量之间具有稳定的概括性能。

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.

量子哈密顿学习和量子吉布斯采样的双重任务与物理和化学中的许多重要问题有关。在低温方案中，这些任务的算法通常会遭受施状能力，例如因样本或时间复杂性差而遭受。为了解决此类韧性，我们将量子自然梯度下降的概括引入了参数化的混合状态，并提供了稳健的一阶近似算法，即量子 - 固定镜下降。我们使用信息几何学和量子计量学的工具证明了双重任务的数据样本效率，因此首次将经典Fisher效率的开创性结果推广到变异量子算法。我们的方法扩展了以前样品有效的技术，以允许模型选择的灵活性，包括基于量子汉密尔顿的量子模型，包括基于量子的模型，这些模型可能会规避棘手的时间复杂性。我们的一阶算法是使用经典镜下降二元性的新型量子概括得出的。两种结果都需要特殊的度量选择，即Bogoliubov-Kubo-Mori度量。为了从数值上测试我们提出的算法，我们将它们的性能与现有基准进行了关于横向场ISING模型的量子Gibbs采样任务的现有基准。最后，我们提出了一种初始化策略，利用几何局部性来建模状态的序列（例如量子 - 故事过程）的序列。我们从经验上证明了它在实际和想象的时间演化的经验上，同时定义了更广泛的潜在应用。