最近的研究表明，基于嘈杂输入的预测复发神经网络对时间序列的预测会产生一个预期的轨迹。我们检查了训练数据集和输入序列对网络预测质量的影响。我们提出并讨论了预测过程中观察到的噪声压缩的解释。我们还讨论了在神经科学环境中复发网络对生物体演变的重要性。

从图像识别和对象检测到语音识别和机器翻译，神经网络已经证明是非常成功的广泛复杂任务。他们的成功之一是给出了适当的训练数据集的未来动态的技能。以前的研究表明，回声状态网络（ESNS）是如何成功地预测比Lyapunov时间长时间的混乱系统。本研究表明，显着的是，ESN可以成功地预测与训练集中包含的任何行为不同的动态行为。提供了用于流体动力学问题的证据，其中流动可以在层流（有序）和湍流（无序）的制度之间过渡。尽管仅受到湍流制度培训，但发现ESNS被发现预测层流行为。此外，还预先预测了湍流到层状和层流动转变的统计数据，并且讨论了ESN在作为转变过渡的早期预警系统中的效用。这些结果预计将广泛适用于在一系列物理，气候，生物，生态和金融模型中的数据行为建模，其特征在于在几个竞争状态之间存在折射点和突然过渡的存在。

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。

我们开发一种方法来构造来自表示基本上非线性（或不可连锁的）动态系统的数据集构成低维预测模型，其中具有由有限许多频率的外部强制进行外部矫正的双曲线线性部分。我们的数据驱动，稀疏，非线性模型获得为低维，吸引动力系统的光谱子纤维（SSM）的降低的动态的延长正常形式。我们说明了数据驱动的SSM降低了高维数值数据集的功率和涉及梁振荡，涡旋脱落和水箱中的晃动的实验测量。我们发现，在未加工的数据上培训的SSM减少也在额外的外部强制下准确预测非线性响应。

地震的预测和预测有很长的时间，在某些情况下有肮脏的历史，但是最近的工作重新点燃了基于预警的进步，诱发地震性的危害评估以及对实验室地震的成功预测。在实验室中，摩擦滑移事件为地震和地震周期提供了类似物。 Labquakes是机器学习（ML）的理想目标，因为它们可以在受控条件下以长序列生产。最近的作品表明，ML可以使用断层区的声学排放来预测实验室的几个方面。在这里，我们概括了这些结果，并探索了Labquake预测和自动回归（AR）预测的深度学习（DL）方法。 DL改善了现有的Labquake预测方法。 AR方法允许通过迭代预测在未来的视野中进行预测。我们证明，基于长期任期内存（LSTM）和卷积神经网络的DL模型可以预测在几种条件下实验室，并且可以以忠诚度预测断层区应力，证实声能是断层区应力的指纹。我们还预测了实验室的失败开始（TTSF）和失败结束（TTEF）的时间。有趣的是，在所有地震循环中都可以成功预测TTEF，而TTSF的预测随preseismisic断层蠕变的数量而变化。我们报告了使用三个序列建模框架：LSTM，时间卷积网络和变压器网络预测故障应力演变的AR方法。 AR预测与现有的预测模型不同，该模型仅在特定时间预测目标变量。超出单个地震周期的预测结果有限，但令人鼓舞。我们的ML/DL模型优于最先进的模型，我们的自回归模型代表了一个新颖的框架，可以增强当前的地震预测方法。

动态模型是我们理解和预测自然系统行为的能力。无论是从第一原理推导还是从观察数据开发的动力模型，它们都基于我们选择状态变量。状态变量的选择是由便利性和直觉驱动的，在数据​​驱动的情况下，观察到的变量通常被选择为状态变量。这些变量的维度（以及动态模型）可以任意大，从而掩盖了系统的基本行为。实际上，这些变量通常是高度冗余的，并且该系统是由一组潜在的内在变量集驱动的。在这项研究中，我们将流形的数学理论与神经网络的代表能力相结合，以开发一种方法，该方法直接从时间序列数据中学习了系统的内在状态变量，还可以学习其动力学的预测模型。我们方法的区别在于，它有能力将数据减少到其居住的非线性流形的固有维度。从流形理论中的图表和地图集的概念可以实现这种能力，从而使歧管由缝制在一起的贴片的集合表示，这是获得内在维度的必要表示。我们在几个具有低维行为的高维系统上证明了这种方法。最终的框架提供了开发最低维度的动态模型的能力，从而捕获了系统的本质。

基于量子的通信中的当前技术将量子数据的新集成与经典数据进行混合处理。但是，这些技术的框架仅限于单个经典或量子任务，这限制了它们在近期应用中的灵活性。我们建议在需要经典和量子输入的计算任务中利用量子储存器处理器来利用量子动力学。该模拟处理器包括一个量子点网络，其中量子数据被入射到网络中，并且经典数据通过一个连贯的字段刺激了网络进行编码。我们执行量子断层扫描和经典通道非线性均衡的多任务应用。有趣的是，可以通过对经典数据的反馈控制以闭环方式进行断层扫描。因此，如果经典输入来自动力学系统，则将该系统嵌入封闭环中，即使访问对外部经典输入的访问被中断也可以处理混合处理。最后，我们证明准备量子去极化通道是一种用于量子数据处理的新型量子机学习技术。

我们合并计算力学的因果状态（预测等同历史）的定义与再现 - 内核希尔伯特空间（RKHS）表示推断。结果是一种广泛适用的方法，可直接从系统行为的观察中迁移因果结构，无论它们是否超过离散或连续事件或时间。结构表示 - 有限或无限状态内核$ \ epsilon $ -Machine - 由减压变换提取，其提供了有效的因果状态及其拓扑。以这种方式，系统动态由用于在因果状态上的随机（普通或部分）微分方程表示。我们介绍了一种算法来估计相关的演化运营商。平行于Fokker-Plank方程，它有效地发展了因果状态分布，并通过RKHS功能映射在原始数据空间中进行预测。我们展示了这些技术，以及他们的预测能力，在离散时间的离散时间离散 - 有限的无限值Markov订单流程，其中有限状态隐藏马尔可夫模型与（i）有限或（ii）不可数 - 无限因果态和（iii）连续时间，由热驱动的混沌流产生的连续值处理。该方法在存在不同的外部和测量噪声水平和非常高的维数据存在下鲁棒地估计因果结构。

Recent work has shown that machine learning (ML) models can be trained to accurately forecast the dynamics of unknown chaotic dynamical systems. Such ML models can be used to produce both short-term predictions of the state evolution and long-term predictions of the statistical patterns of the dynamics (``climate''). Both of these tasks can be accomplished by employing a feedback loop, whereby the model is trained to predict forward one time step, then the trained model is iterated for multiple time steps with its output used as the input. In the absence of mitigating techniques, however, this technique can result in artificially rapid error growth, leading to inaccurate predictions and/or climate instability. In this article, we systematically examine the technique of adding noise to the ML model input during training as a means to promote stability and improve prediction accuracy. Furthermore, we introduce Linearized Multi-Noise Training (LMNT), a regularization technique that deterministically approximates the effect of many small, independent noise realizations added to the model input during training. Our case study uses reservoir computing, a machine-learning method using recurrent neural networks, to predict the spatiotemporal chaotic Kuramoto-Sivashinsky equation. We find that reservoir computers trained with noise or with LMNT produce climate predictions that appear to be indefinitely stable and have a climate very similar to the true system, while reservoir computers trained without regularization are unstable. Compared with other types of regularization that yield stability in some cases, we find that both short-term and climate predictions from reservoir computers trained with noise or with LMNT are substantially more accurate. Finally, we show that the deterministic aspect of our LMNT regularization facilitates fast hyperparameter tuning when compared to training with noise.

要使用深神经网络预测罕见的极端事件，一个人遇到所谓的小数据问题，因为即使是长期观测通常常见的事件常见。在这里，我们研究了一种模型辅助框架，其中训练数据是从数值模拟获得的，而不是观察，具有来自极端事件的适当样本。但是，为了确保培训的网络在实践中适用，无法在完整的仿真数据上执行培训;相反，我们只使用可以在实践中测量的可观察量的小子集。我们调查这一模型辅助框架在三种不同动力系统（Rossler Larguger Or，Fitzhugh - Nagumo Model和湍流流体流量）和三种不同的深神经网络架构（前馈，长短期内存和储层计算）上的可行性）。在每种情况下，我们研究了预测准确性，稳健性对噪声，重复训练的再现性，以及对输入数据类型的敏感性。特别是，我们发现长期的短期内存网络是最强大的噪声，并产生相对准确的预测，同时需要最小的高考的微调。

经常性神经网络（RNN）经常用于建模脑功能和结构的方面。在这项工作中，我们培训了小型完全连接的RNN，以具有时变刺激的时间和流量控制任务。我们的结果表明，不同的RNN可以通过对不同的底层动态进行不同的RNN来解决相同的任务，并且优雅地降低的性能随着网络尺寸而降低，间隔持续时间增加，或者连接损坏。我们的结果对于量化通常用作黑匣子的模型的不同方面是有用的，并且需要预先理解以建模脑皮质区域的生物反应。

经常性神经网络（RNNS）是强大的动态模型，广泛用于机器学习（ML）和神经科学。之前的理论作品集中在具有添加剂相互作用的RNN上。然而，门控 - 即乘法 - 相互作用在真神经元中普遍存在，并且也是ML中最佳性能RNN的中心特征。在这里，我们表明Gating提供灵活地控制集体动态的两个突出特征：i）时间尺寸和ii）维度。栅极控制时间尺度导致新颖的稳定状态，网络用作灵活积分器。与以前的方法不同，Gating允许这种重要功能而没有参数微调或特殊对称。门还提供一种灵活的上下文相关机制来重置存储器跟踪，从而补充存储器功能。调制维度的栅极可以诱导新颖的不连续的混沌转变，其中输入将稳定的系统推向强的混沌活动，与通常稳定的输入效果相比。在这种转变之上，与添加剂RNN不同，关键点（拓扑复杂性）的增殖与混沌动力学的外观解耦（动态复杂性）。丰富的动态总结在相图中，从而为ML从业者提供了一个原理参数初始化选择的地图。

在称为RNN（p）的几个时间滞后的复发神经网络是自然回归ARX（P）模型的自然概括。当不同的时间尺度会影响给定现象时，它是一种强大的预测工具，因为它发生在能源领域，每小时，每日，每周和每年的互动并存。具有成本效益的BPTT是RNN的学习算法的行业标准。我们证明，当训练RNN（P）模型时，其他学习算法在时间和空间复杂性方面都更加有效。我们还介绍了一种新的学习算法，即树木重组的重组学习，该算法利用了展开网络的树表示，并且似乎更有效。我们提出了RNN（P）模型的应用，以在每小时规模上进行功耗预测：实验结果证明了所提出的算法的效率以及所选模型在点和能源消耗的概率预测中实现的出色预测准确性。

使用机器学习结构的增强机械常微分方程（ODE）模型是一种新颖的方法，可以通过测量数据创建专业知识和现实的高精度，低维模型。我们的探索性研究侧重于培训具有限制循环的物理非线性动力系统的通用微分方程（UDE）模型：勃起振动振荡和电动非线性振荡器的空心罐。我们考虑通过数值模拟产生培训数据的示例，而我们还将建议的建模概念应用于物理实验，允许我们研究各种复杂性的问题。要收集培训数据，因此使用基于控制的延续的方法，因为它不仅捕获稳定，而且使用观察到的系统的不稳定限制周期。此功能使得可以提取有关观察系统的更多信息，而不是标准，开环方法允许。我们使用神经网络和高斯过程作为通用近似器，以及机械模型，对UDE建模方法的准确性和稳健性进行了关键评估。我们还突出显示可能在培训过程中遇到的潜在问题，指示当前建模框架的限制。

动态系统参见在物理，生物学，化学等自然科学中广泛使用，以及电路分析，计算流体动力学和控制等工程学科。对于简单的系统，可以通过应用基本物理法来导出管理动态的微分方程。然而，对于更复杂的系统，这种方法变得非常困难。数据驱动建模是一种替代范式，可以使用真实系统的观察来了解系统的动态的近似值。近年来，对数据驱动的建模技术的兴趣增加，特别是神经网络已被证明提供了解决广泛任务的有效框架。本文提供了使用神经网络构建动态系统模型的不同方式的调查。除了基础概述外，我们还审查了相关的文献，概述了这些建模范式必须克服的数值模拟中最重要的挑战。根据审查的文献和确定的挑战，我们提供了关于有前途的研究领域的讨论。

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。

在本文中，我们证明了储层计算可用于学习浅水方程的动态。特别地，虽然储层计算的大多数先前的应用已经需要对特定轨迹的训练来说，以进一步预测沿着该轨迹的进化，我们展示了储层计算能力，以预测浅水方程的轨迹，初始条件下没有看到的初始条件培训过程。然而，在该设置中，我们发现网络的性能对于具有与训练数据集中的环境条件（例如总水质高度和平均速度）的初始条件恶化。为了避免这种缺陷，我们引入了一种转移学习方法，其中使用相关环境条件的小额额外训练步骤来改善预测。

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。

在本文中，我们为非稳定于3D流体结构交互系统提供了一种基于深度学习的阶数（DL-ROM）。所提出的DL-ROM具有非线性状态空间模型的格式，并采用具有长短期存储器（LSTM）的经常性神经网络。我们考虑一种以状态空间格式的可弹性安装的球体的规范流体结构系统，其具有不可压缩的流体流动。我们开发了一种非线性数据驱动的耦合，用于预测横向方向自由振动球的非定常力和涡旋诱导的振动（VIV）锁定。我们设计输入输出关系作为用于流体结构系统的低维逼近的力和位移数据集的时间序列。基于VIV锁定过程的先验知识，输入功能包含一系列频率和幅度，其能够实现高效的DL-ROM，而无需用于低维建模的大量训练数据集。一旦训练，网络就提供了输入 - 输出动态的非线性映射，其可以通过反馈过程预测较长地平线的耦合流体结构动态。通过将LSTM网络与Eigensystem实现算法（时代）集成，我们构造了用于减少阶稳定性分析的数据驱动状态空间模型。我们通过特征值选择过程调查VIV的潜在机制和稳定性特征。为了了解频率锁定机制，我们研究了针对降低振荡频率和质量比的范围的特征值轨迹。与全阶模拟一致，通过组合的LSTM-ERA程序精确捕获频率锁定分支。所提出的DL-ROM与涉及流体结构相互作用的物理学数字双胞胎的基于物理的数字双胞胎。

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。