众所周知，混乱的系统对预测的挑战是挑战，因为它们对时间的敏感性和由于阶梯时间而引起的错误和错误。尽管这种不可预测的行为，但对于许多耗散系统，长期轨迹的统计数据仍受到一套被称为全球吸引子的不变措施的管辖。对于许多问题，即使状态空间是无限的维度，该集合是有限维度的。对于马尔可夫系统，长期轨迹的统计特性由解决方案操作员唯一确定，该解决方案操作员将系统的演变映射到任意正时间增量上。在这项工作中，我们提出了一个机器学习框架，以学习耗散混沌系统的基础解决方案操作员，这表明所得的学习操作员准确地捕获了短期轨迹和长期统计行为。使用此框架，我们能够预测湍流Kolmogorov流动动力学的各种统计数据，雷诺数为5000。
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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。
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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。
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这项工作探讨了物理驱动的机器学习技术运算符推理（IMIPF），以预测混乱的动力系统状态。 OPINF提供了一种非侵入性方法来推断缩小空间中多项式操作员的近似值，而无需访问离散模型中出现的完整订单操作员。物理系统的数据集是使用常规数值求解器生成的，然后通过主成分分析（PCA）投影到低维空间。在潜在空间中，设置了一个最小二乘问题以适合二次多项式操作员，该操作员随后在时间整合方案中使用，以便在同一空间中产生外推。解决后，将对逆PCA操作进行重建原始空间中的外推。通过标准化的根平方误差（NRMSE）度量评估了OPINF预测的质量，从中计算有效的预测时间（VPT）。考虑混乱系统Lorenz 96和Kuramoto-Sivashinsky方程的数值实验显示，具有VPT范围的OPINF降低订单模型的有希望的预测能力，这些模型均超过了最先进的机器学习方法，例如返回和储层计算循环新的Neural网络[1 ]，以及马尔可夫神经操作员[2]。
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尽管在整个科学和工程中都无处不在，但只有少数部分微分方程（PDE）具有分析或封闭形式的解决方案。这激发了有关PDE的数值模拟的大量经典工作，最近，对数据驱动技术的研究旋转了机器学习（ML）。最近的一项工作表明，与机器学习的经典数值技术的混合体可以对任何一种方法提供重大改进。在这项工作中，我们表明，在纳入基于物理学的先验时，数值方案的选择至关重要。我们以基于傅立叶的光谱方法为基础，这些光谱方法比其他数值方案要高得多，以模拟使用平滑且周期性解决方案的PDE。具体而言，我们为流体动力学的三个模型PDE开发了ML增强的光谱求解器，从而提高了标准光谱求解器在相同分辨率下的准确性。我们还展示了一些关键设计原则，用于将机器学习和用于解决PDE的数值方法结合使用。
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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。
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随机偏微分方程（SPDES）是在随机性影响下模拟动态系统的选择的数学工具。通过将搜索SPDE的温和解决方案作为神经定点问题，我们介绍了神经SPDE模型，以便从部分观察到的数据中使用（可能随机）的PDE溶液运营商。我们的模型为两类物理启发神经架构提供了扩展。一方面，它延伸了神经CDES，SDES，RDE - RNN的连续时间类似物，因为即使当后者在无限尺寸状态空间中演变时，它也能够处理进入的顺序信息。另一方面，它扩展了神经运营商 - 神经网络的概括到函数空间之间的模型映射 - 因为它可以用于学习解决方案运算符$（U_0，\ xi）\ MapSto U $同时上的SPDES初始条件$ u_0 $和驾驶噪声$ \ xi $的实现。神经SPDE是不变的，它可以使用基于记忆有效的隐式分化的反向化的训练，并且一旦接受训练，其评估比传统求解器快3个数量级。在包括2D随机Navier-Stokes方程的各种半线性SPDES的实验证明了神经间隙如何能够以更好的准确性学习复杂的时空动态，并仅使用适度的培训数据与所有替代模型相比。
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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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动力系统的演变通常由非线性偏微分方程（PDE）控制，在模拟框架中，其解决方案需要大量的计算资源。在这项工作中，我们提出了一种新颖的方法，该方法将超网络求解器与傅立叶神经操作员体系结构相结合。我们的方法分别处理时间和空间。结果，它通过采用部分差分运算符的一般组成特性，成功地在连续时间步骤中成功传播了初始条件。在先前的工作之后，在特定时间点提供监督。我们在各个时间演化PDE上测试我们的方法，包括一个，两个和三个空间维度中的非线性流体流。结果表明，新方法在监督点的时间点提高了学习准确性，并能够插入和解决任何中间时间的解决方案。
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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.
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数据驱动的湍流建模正在经历数据科学算法和硬件开发后的兴趣激增。我们讨论了一种使用可区分物理范式的方法，该方法将已知的物理学与机器学习结合起来，以开发汉堡湍流的闭合模型。我们将1D汉堡系统视为一种原型测试问题，用于建模以对流为主的湍流问题中未解决的术语。我们训练一系列模型，这些模型在后验损失函数上结合了不同程度的物理假设，以测试模型在一系列系统参数（包括粘度，时间和网格分辨率）上的疗效。我们发现，以部分微分方程形式的归纳偏差的约束模型包含已知物理或现有闭合方法会产生高度数据效率，准确和可推广的模型，并且表现优于最先进的基准。以物理信息形式添加结构还为模型带来了一定程度的解释性，可能为封闭建模的未来提供了垫脚石。
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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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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。
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Deep operator network (DeepONet) has demonstrated great success in various learning tasks, including learning solution operators of partial differential equations. In particular, it provides an efficient approach to predict the evolution equations in a finite time horizon. Nevertheless, the vanilla DeepONet suffers from the issue of stability degradation in the long-time prediction. This paper proposes a {\em transfer-learning} aided DeepONet to enhance the stability. Our idea is to use transfer learning to sequentially update the DeepONets as the surrogates for propagators learned in different time frames. The evolving DeepONets can better track the varying complexities of the evolution equations, while only need to be updated by efficient training of a tiny fraction of the operator networks. Through systematic experiments, we show that the proposed method not only improves the long-time accuracy of DeepONet while maintaining similar computational cost but also substantially reduces the sample size of the training set.
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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。
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傅里叶神经运营商（FNO）是一种基于学习的方法，用于有效地模拟部分微分方程。我们提出了分解的傅立叶神经运营商（F-FNO），允许与更深的网络更好地推广。通过仔细组合傅里叶分解，跨所有层，Markov属性和残差连接的共享内核积分运算符，F-FNOS在Navier-Stokes基准数据集的最动力设置上达到六倍的误差。我们表明我们的模型保持了2％的错误率，同时仍然比数值求解器更快地运行幅度，即使问题设置扩展到包括诸如粘度和时变力的附加上下文，也是如此。这使得与相同的预制神经网络能够模拟巨大不同的条件。
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机器学习方法最近在求解部分微分方程（PDE）中的承诺。它们可以分为两种广泛类别：近似解决方案功能并学习解决方案操作员。物理知识的神经网络（PINN）是前者的示例，而傅里叶神经操作员（FNO）是后者的示例。这两种方法都有缺点。 Pinn的优化是具有挑战性，易于发生故障，尤其是在多尺度动态系统上。 FNO不会遭受这种优化问题，因为它在给定的数据集上执行了监督学习，但获取此类数据可能太昂贵或无法使用。在这项工作中，我们提出了物理知识的神经运营商（Pino），在那里我们结合了操作学习和功能优化框架。这种综合方法可以提高PINN和FNO模型的收敛速度和准确性。在操作员学习阶段，Pino在参数PDE系列的多个实例上学习解决方案操作员。在测试时间优化阶段，Pino优化预先训练的操作员ANSATZ，用于PDE的查询实例。实验显示Pino优于许多流行的PDE家族的先前ML方法，同时保留与求解器相比FNO的非凡速度。特别是，Pino准确地解决了挑战的长时间瞬态流量，而其他基线ML方法无法收敛的Kolmogorov流程。
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计算科学和统计推断中的许多应用都需要计算有关具有未知归一化常数的复杂高维分布以及这些常数的估计。在这里，我们开发了一种基于从简单的基本分布生成样品，沿着速度场生成的流量运输的方法，并沿这些流程线执行平均值。这种非平衡重要性采样（NEIS）策略是直接实施的，可用于具有任意目标分布的计算。在理论方面，我们讨论了如何将速度场定制到目标，并建立所提出的估计器是一个完美的估计器，具有零变化。我们还通过将基本分布映射到目标上，通过传输图绘制了NEIS和方法之间的连接。在计算方面，我们展示了如何使用深度学习来代表神经网络，并将其训练为零方差最佳。这些结果在高维示例上进行了数值说明，我们表明训练速度场可以将NEIS估计量的方差降低至6个数量级，而不是Vanilla估计量。我们还表明，NEIS在这些示例上的表现要比NEAL的退火重要性采样（AIS）更好。
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我们介绍了一个名为统计信息的神经网络（SINN）的机器学习框架，用于从数据中学习随机动力学。从理论上讲，这种新的架构是受到随机系统的通用近似定理的启发，我们在本文中介绍了它，以及用于随机建模的投影手术形式。我们设计了训练神经网络模型的机制，以重现目标随机过程的正确\ emph {统计}行为。数值模拟结果表明，受过良好训练的SINN可以可靠地近似马尔可夫和非马克维亚随机动力学。我们证明了SINN对粗粒问题和过渡动力学的建模的适用性。此外，我们表明可以在时间粗粒的数据上训练所获得的减少阶模型，因此非常适合稀有事实模拟。
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Data-driven modeling has become a key building block in computational science and engineering. However, data that are available in science and engineering are typically scarce, often polluted with noise and affected by measurement errors and other perturbations, which makes learning the dynamics of systems challenging. In this work, we propose to combine data-driven modeling via operator inference with the dynamic training via roll outs of neural ordinary differential equations. Operator inference with roll outs inherits interpretability, scalability, and structure preservation of traditional operator inference while leveraging the dynamic training via roll outs over multiple time steps to increase stability and robustness for learning from low-quality and noisy data. Numerical experiments with data describing shallow water waves and surface quasi-geostrophic dynamics demonstrate that operator inference with roll outs provides predictive models from training trajectories even if data are sampled sparsely in time and polluted with noise of up to 10%.
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