对于哈密顿系统，这项工作考虑了由符号演化图产生的位置（Q）和动量（P）变量的学习和预测。与Chen＆Tao（2021）相似，符号图由生成函数表示。此外，我们通过将时间序列（q_i，p_i）分为几个分区来开发新的学习方案，然后训练leap-frog神经网络（LFNN）以近似第一个（即初始条件）和一个之间的生成函数其余的分区。为了预测短时间内的系统演变，LFNN可以有效避免累积错误的问题。然后，将LFNN应用于更长的时间段内2：3谐振Kuiper带对象的行为，并且在我们以前的工作中构建的神经网络有两个重大改进（Li等人，2022年）：（（（ 1）雅各比积分的保护； （2）高度准确的轨道演化预测。我们建议LFNN可能有助于预测哈密顿系统的长时间演变。

最近，与神经网络的时间相关微分方程的解决方案最近引起了很多关注。核心思想是学习控制解决方案从数据演变的法律，该数据可能会被随机噪声污染。但是，与其他机器学习应用相比，通常对手头的系统了解很多。例如，对于许多动态系统，诸如能量或（角度）动量之类的物理量是完全保守的。因此，神经网络必须从数据中学习这些保护定律，并且仅由于有限的训练时间和随机噪声而被满足。在本文中，我们提出了一种替代方法，该方法使用Noether的定理将保护定律本质地纳入神经网络的体系结构。我们证明，这可以更好地预测三个模型系统：在三维牛顿引力潜能中非偏见粒子的运动，Schwarzschild指标中庞大的相对论粒子的运动和两个相互作用的粒子在四个相互作用的粒子系统中的运动方面。

对应用机器学习来研究动态系统有一波兴趣。特别地，已经应用神经网络来解决运动方程，因此追踪系统的演变。与神经网络和机器学习的其他应用相反，动态系统 - 根据其潜在的对称 - 具有诸如能量，动量和角动量的不变性。传统的数值迭代方法通常违反这些保护法，在时间上传播误差，并降低方法的可预测性。我们介绍了一个汉密尔顿神经网络，用于解决控制动态系统的微分方程。这种无监督的模型是学习解决方案，可以相同地满足哈密尔顿方程，因此哈密尔顿方程式满足。一旦优化了，所提出的架构被认为是一种杂项单元，因为引入了高效的参数的解决方案。另外，通过共享网络参数并选择适当的激活函数的选择大大提高了网络的可预测性。派生错误分析，并指出数值误差取决于整体网络性能。然后采用辛结构来解决非线性振荡器的方程和混沌HENON-HENEL动态系统。在两个系统中，杂项欧拉集成商需要两个订单比HAMILTONIAN网络更多的评估点，以便在预测的相空间轨迹中获得相同的数值误差顺序。

引力$ n $ -body问题在天体物理学中，预测在彼此相互重力下预测$ N $天体的运动，通常是数值解决的，因为没有已知的一般分析解决方案为N> 2$。可以通过神经网络（NN）准确解决$ N $ -body问题？NN可以观察能源和轨道角动量的长期保护吗？灵感来自Wistom＆Holman（1991）的互相映射，我们提出了一种神经价值的N $ -Body Integrator，用于将哈密尔顿人分成双身体部位，分析可解决，以及我们近似与NN近似的互动部分。我们的神经效果$ n $ -body代码以10 ^ {5} $步骤集成了一般的三体系，而不从从传统$ n $ -body集成商获得的地面真理动态转移。此外，它通过成功预测没有任何培训集的N $ -body系统的演变而表现出良好的归纳偏差。

由于其固有的混沌性质，了解层次三重系统的长期演变是具有挑战性的，并且需要计算昂贵的模拟。在这里，我们提出了一个卷积神经网络模型，以通过在第一个$ 5 \ times 10^5 $内二进制轨道上查看其演变来预测层次三元组的稳定性。我们采用正规化的几体代码\ textsc {tsunami}来模拟$ 5 \ times 10^6 $层次结构三元组，我们从中生成了大型培训和测试数据集。我们开发了十二种不同的网络配置，它们使用三元组的轨道元素的不同组合并比较其性能。我们的最佳模型使用了6个时间序列，即半轴轴比率，内部和外偏心，相互倾向和围角的参数。该模型在曲线下达到了超过$ 95 \％$的区域，并告知了研究三重系统稳定性的相关参数。所有训练有素的模型均可公开使用，可以预测分层三重系统的稳定性$ 200 $ 200 $ $倍，比纯$ n $ body方法快。

In my previous article I mentioned for the first time that a classical neural network may have quantum properties as its own structure may be entangled. The question one may ask now is whether such a quantum property can be used to entangle other systems? The answer should be yes, as shown in what follows.

Even though neural networks enjoy widespread use, they still struggle to learn the basic laws of physics. How might we endow them with better inductive biases? In this paper, we draw inspiration from Hamiltonian mechanics to train models that learn and respect exact conservation laws in an unsupervised manner. We evaluate our models on problems where conservation of energy is important, including the two-body problem and pixel observations of a pendulum. Our model trains faster and generalizes better than a regular neural network. An interesting side effect is that our model is perfectly reversible in time. Ideal mass-spring system Noisy observations Baseline NN Prediction Prediction Hamiltonian NN Figure 1: Learning the Hamiltonian of a mass-spring system. The variables q and p correspond to position and momentum coordinates. As there is no friction, the baseline's inner spiral is due to model errors. By comparison, the Hamiltonian Neural Network learns to exactly conserve a quantity that is analogous to total energy. Preprint. Under review.

物理学的美在于，通常在变化的系统（称为运动常数）中保守数量。找到运动的常数对于理解系统的动力学很重要，但通常需要数学水平和手动分析工作。在本文中，我们提出了一个神经网络，该网络可以同时了解系统的动力学和来自数据的运动常数。通过利用发现的运动常数，它可以对动态产生更好的预测，并且可以比基于哈密顿的神经网络在更广泛的系统上工作。此外，我们方法的训练进展可以用作系统中运动常数数量的指示，该系统可用于研究新型物理系统。

学习动态是机器学习（ML）的许多重要应用的核心，例如机器人和自主驾驶。在这些设置中，ML算法通常需要推理使用高维观察的物理系统，例如图像，而不访问底层状态。最近，已经提出了几种方法将从经典机制的前沿集成到ML模型中，以解决图像的物理推理的挑战。在这项工作中，我们清醒了这些模型的当前功能。为此，我们介绍一套由17个数据集组成的套件，该数据集基于具有呈现各种动态的物理系统的视觉观测。我们对几种强大的基线进行了彻底的和详细比较了物理启发方法的主要类别。虽然包含物理前沿的模型通常可以学习具有所需特性的潜在空间，但我们的结果表明这些方法无法显着提高标准技术。尽管如此，我们发现使用连续和时间可逆动力学的使用效益所有课程的模型。

深度学习模型能够近似一个特定的动力系统，但在学习通用动力学方面挣扎，在该动态系统中，动态系统遵守了相同的物理定律，但包含不同数量的元素（例如，双重和三铅系统）。为了缓解这个问题，我们提出了模块化拉​​格朗日网络（ModLanet），这是一个具有模块化和物理诱导偏置的结构神经网络框架。该框架使用模块化对每个元素的能量进行建模，然后通过拉格朗日力学构建目标动态系统。模块化有益于重复训练的网络和减少网络和数据集的规模。结果，我们的框架可以从更简单的系统的动力学中学习，并扩展到更复杂的框架，使用其他相关的物理信息神经网络是不可行的。我们研究了使用小型培训数据集建模双体螺旋形或三体系统的框架，与同行相比，我们的模型实现了最佳的数据效率和准确性性能。我们还将模型重新组织为建模多体型和多体系统的扩展，展示了我们框架的可重复使用功能。

我们介绍了一种引力波形反演策略，用于发现二元黑洞（BBH）系统的机械模型。我们表明，只需要单一的时间序列（可能嘈杂）波形数据来构造BBH系统的运动方程。从前馈神经网络参数化的一类通用微分方程开始，我们的策略涉及构建合理的机械模型的空间和该空间内的物理信息的受限优化，以最小化波形误差。我们将我们的方法应用于各种BBH系统，包括偏心和非偏心轨道的极端和可比的质量比系统。我们展示所得到的微分方程适用于时间持续时间长于训练间隔的时间，并且相对论效应，例如临床预防，辐射反应和轨道插入，被自动占。这里概述的方法提供了研究二元黑洞系统动态的新的数据驱动方法。

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。

In this thesis, we consider two simple but typical control problems and apply deep reinforcement learning to them, i.e., to cool and control a particle which is subject to continuous position measurement in a one-dimensional quadratic potential or in a quartic potential. We compare the performance of reinforcement learning control and conventional control strategies on the two problems, and show that the reinforcement learning achieves a performance comparable to the optimal control for the quadratic case, and outperforms conventional control strategies for the quartic case for which the optimal control strategy is unknown. To our knowledge, this is the first time deep reinforcement learning is applied to quantum control problems in continuous real space. Our research demonstrates that deep reinforcement learning can be used to control a stochastic quantum system in real space effectively as a measurement-feedback closed-loop controller, and our research also shows the ability of AI to discover new control strategies and properties of the quantum systems that are not well understood, and we can gain insights into these problems by learning from the AI, which opens up a new regime for scientific research.

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。

Recently, graph neural networks have been gaining a lot of attention to simulate dynamical systems due to their inductive nature leading to zero-shot generalizability. Similarly, physics-informed inductive biases in deep-learning frameworks have been shown to give superior performance in learning the dynamics of physical systems. There is a growing volume of literature that attempts to combine these two approaches. Here, we evaluate the performance of thirteen different graph neural networks, namely, Hamiltonian and Lagrangian graph neural networks, graph neural ODE, and their variants with explicit constraints and different architectures. We briefly explain the theoretical formulation highlighting the similarities and differences in the inductive biases and graph architecture of these systems. We evaluate these models on spring, pendulum, gravitational, and 3D deformable solid systems to compare the performance in terms of rollout error, conserved quantities such as energy and momentum, and generalizability to unseen system sizes. Our study demonstrates that GNNs with additional inductive biases, such as explicit constraints and decoupling of kinetic and potential energies, exhibit significantly enhanced performance. Further, all the physics-informed GNNs exhibit zero-shot generalizability to system sizes an order of magnitude larger than the training system, thus providing a promising route to simulate large-scale realistic systems.

最近，对具有神经网络的物理系统建模和计算的兴趣越来越多。在古典力学中，哈密顿系统是一种优雅而紧凑的形式主义，该动力学由一个标量功能，哈密顿量完全决定。解决方案轨迹通常受到约束，以在线性矢量空间的子序列上进化。在这项工作中，我们提出了新的方法，以准确地逼近其解决方案的示例数据信息的约束机械系统的哈密顿功能。我们通过使用明确的谎言组集成商和其他经典方案来关注学习策略中约束的重要性。

我们认为了解生物或人为群的协调运动的问题。在这方面，我们提出了一种学习计划，以估计相互作用者的协调规律与群体密度随时间的观察。我们根据划线斑块植绒模型的成对交互来描述群体的动态，并表达群体的密度演进作为对平均流体动力方程系统的解决方案。我们提出了一种新的参数族，以模拟成对交互，这允许积分微分方程的平均场宏观系统被有效地解决为PDE的增强系统。最后，我们在迭代优化方案中纳入了增强系统，以了解与群体的密度进化的观察中相互作用的动态。这项工作的结果可以提供一种替代方法来研究动物群坐标，为大型网络系统创造新的控制方案，并作为防止对抗逆情机制攻击的防御机制的中心部分。

热力学可以看作是高认知水平上物理学的表达。因此，最近在许多领域中实现了其作为帮助机器学习程序获得准确和可信度的预测的潜在偏见。我们回顾热力学如何在学习过程中提供有用的见解。同时，我们研究了要描述给定现象的规模之类的方面的影响，对于此描述的相关变量的选择或可用于学习过程的不同技术。

具有基于物理的诱导偏见的神经网络，例如拉格朗日神经网络（LNN）和汉密尔顿神经网络（HNN），通过编码强诱导性偏见来学习物理系统的动态。另外，还显示出适当的感应偏见的神经odes具有相似的性能。但是，当这些模型应用于基于粒子的系统时，本质上具有转导性，因此不会推广到大型系统尺寸。在本文中，我们提出了基于图的神经ode gnode，以了解动力学系统的时间演变。此外，我们仔细分析了不同电感偏差对GNODE性能的作用。我们表明，与LNN和HNN类似，对约束进行编码可以显着提高GNODE的训练效率和性能。我们的实验还评估了该模型最终性能的其他归纳偏差（例如纽顿第三定律）的价值。我们证明，诱导这些偏见可以在能量违规和推出误差方面通过数量级来增强模型的性能。有趣的是，我们观察到，经过最有效的电感偏见训练的GNODE，即McGnode，优于LNN和HNN的图形版本，即Lagrangian Graph Networks（LGN）和Hamiltonian Graph网络（HGN）在能量侵犯的方面差异，该图表的差异大约是能量侵犯网络（HGN）摆钟系统的4个数量级，春季系统的数量级约为2个数量级。这些结果表明，可以通过诱导适当的电感偏见来获得基于节点的系统的能源保存神经网络的竞争性能。

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。