如今，神经网络广泛用于许多应用中，作为人工智能模型，用于学习任务。由于通常神经网络处理非常大量的数据，因此在平均场和动力学理论内方便地制定它们。在这项工作中，我们专注于特定类别的神经网络，即残余神经网络，假设每层的特征是相同数量的神经元数量$ N $，这是由数据的维度固定的。这种假设允许将残余神经网络作为时间离散化的常微分方程解释，与神经微分方程类似。然后在无限的许多输入数据的极限中获得平均场描述。这导致VLASOV型部分微分方程描述了输入数据分布的演变。我们分析了网络参数的稳态和灵敏度，即重量和偏置。在线性激活功能和一维输入数据的简单设置中，矩的研究为网络的参数选择提供了见解。此外，通过随机残留神经网络的启发的微观动态的修改导致网络的Fokker-Planck配方，其中网络训练的概念被拟合分布的任务所取代。通过人工数值模拟验证所执行的分析。特别是，提出了对分类和回归问题的结果。

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.

物理知情的神经网络（PINN）要求定期的基础PDE解决方案，以确保准确的近似值。因此，它们可能会在近似PDE的不连续溶液（例如非线性双曲方程）的情况下失败。为了改善这一点，我们提出了一种新颖的PINN变体，称为弱PINN（WPINNS），以准确地近似标量保护定律的熵溶液。WPINN是基于近似于根据Kruzkhov熵定义的残留的最小最大优化问题的解决方案，以确定近似熵解决方案的神经网络的参数以及测试功能。我们证明了WPINN发生的误差的严格界限，并通过数值实验说明了它们的性能，以证明WPINN可以准确地近似熵解决方案。

找到Reset中的参数的最佳配置是一个非凸显最小化问题，但一阶方法尽管如此，找到了过度分辨率制度的全局最优。通过将Reset的训练过程转化为梯度流部分微分方程（PDE）和检查该限制过程的收敛性能，我们研究了这种现象。假设激活函数为2美元 - 最佳或部分$ 1 $-homerence;正则Relu满足后一种条件。我们表明，如果Reset足够大，则深度和宽度根据代数上的准确性和置信水平，一阶优化方法可以找到适合培训数据的全局最小化器。

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.

连续数据的优化问题出现在，例如强大的机器学习，功能数据分析和变分推理。这里，目标函数被给出为一个（连续）索引目标函数的系列 - 相对于概率测量集成的族聚集。这些问题通常可以通过随机优化方法解决：在随机切换指标执行关于索引目标函数的优化步骤。在这项工作中，我们研究了随机梯度下降算法的连续时间变量，以进行连续数据的优化问题。该所谓的随机梯度过程包括最小化耦合与确定索引的连续时间索引过程的索引目标函数的梯度流程。索引过程是例如，反射扩散，纯跳跃过程或紧凑空间上的其他L evy过程。因此，我们研究了用于连续数据空间的多种采样模式，并允许在算法的运行时进行模拟或流式流的数据。我们分析了随机梯度过程的近似性质，并在恒定下进行了长时间行为和遍历的学习率。我们以噪声功能数据的多项式回归问题以及物理知识的神经网络在多项式回归问题中结束了随机梯度过程的适用性。

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。

在一个拟合训练数据的深度神经网络（NN）中找到参数是一个非渗透优化问题，但基本的一阶优化方法（梯度下降）在许多实际情况下，具有完美拟合（零损失）的全局优化器。我们在限制性制度中检查残留神经网络（Reset）的剩余神经网络（Reset）的情况的这种现象，其中每个层（宽度）的层数（深度）和权重的数量均转到无穷大。首先，我们使用平均场限制参数来证明参数训练的梯度下降成为概率分布的梯度流，其特征在于大NN限制中的部分微分方程（PDE）。接下来，我们表明，在某些假设下，PDE的解决方案在训练时间内收敛到零损失解决方案。这些结果表明，如果Reset足够大，则reset的培训给出了近零损失。我们给出了减少给定阈值以下低于给定阈值的损失所需的深度和宽度的估计值。

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。

贝叶斯推理允许在贝叶斯神经网络的上下文中获取有关模型参数的有用信息，或者在贝叶斯神经网络的背景下。通常的Monte Carlo方法的计算成本，用于在贝叶斯推理中对贝叶斯推理的后验法律进行线性点的数量与数据点的数量进行线性。将其降低到这一成本的一小部分的一种选择是使用Langevin动态的未经调整的离散化来诉诸Mini-Batching，在这种情况下，只使用数据的随机分数来估计梯度。然而，这导致动态中的额外噪声，因此在马尔可夫链采样的不变度量上的偏差。我们倡导使用所谓的自适应Langevin动态，这是一种改进标准惯性Langevin动态，其动态摩擦力，可自动校正迷你批次引起的增加的噪声。我们调查假设适应性Langevin的假设（恒定协方差估计梯度的恒定协方差），这在贝叶斯推理的典型模型中不满足，并在这种情况下量化小型匹配诱导的偏差。我们还展示了如何扩展ADL，以便通过考虑根据参数的当前值来系统地减少后部分布的偏置。

深度学习表明了视觉识别和某些人工智能任务的成功应用。深度学习也被认为是一种强大的工具，具有近似功能的高度灵活性。在本工作中，设计具有所需属性的功能，以近似PDE的解决方案。我们的方法基于后验误差估计，其中解决了错误定位以在神经网络框架内制定误差估计器的伴随问题。开发了一种高效且易于实现的算法，以通过采用双重加权剩余方法来获得多个目标功能的后验误差估计，然后使用神经网络计算原始和伴随解决方案。本研究表明，即使具有相对较少的训练数据，这种基于数据驱动的模型的学习具有卓越的感兴趣量的近似。用数值测试实施例证实了新颖的算法发展。证明了在浅神经网络上使用深神经网络的优点，并且还呈现了收敛增强技术

滤波方程控制给定部分，并且可能嘈杂，依次到达的信号过程的条件分布的演变。它们的数值近似在许多真实应用中起着核心作用，包括数字天气预报，金融和工程。近似滤波方程解决方案的一种经典方法是使用由Gyongy，Krylov，Legland，Legland，Legland的PDE启发方法，称为分裂方法，其中包括其他贡献者。该方法和其他基于PDE的方法，具有特别适用性来解决低维问题。在这项工作中，我们将这种方法与神经网络表示相结合。新方法用于产生信号过程的无通知条件分布的近似值。我们进一步开发递归归一化程序，以恢复信号过程的归一化条件分布。新方案可以在多个时间步骤中迭代，同时保持其渐近无偏见属性完整。我们用Kalman和Benes滤波器的数值近似结果测试神经网络近似。

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。

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。

了解通过随机梯度下降（SGD）训练的神经网络的特性是深度学习理论的核心。在这项工作中，我们采取了平均场景，并考虑通过SGD培训的双层Relu网络，以实现一个非变量正则化回归问题。我们的主要结果是SGD偏向于简单的解决方案：在收敛时，Relu网络实现输入的分段线性图，以及“结”点的数量 - 即，Relu网络估计器的切线变化的点数 - 在两个连续的训练输入之间最多三个。特别地，随着网络的神经元的数量，通过梯度流的解决方案捕获SGD动力学，并且在收敛时，重量的分布方法接近相关的自由能量的独特最小化器，其具有GIBBS形式。我们的主要技术贡献在于分析了这一最小化器产生的估计器：我们表明其第二阶段在各地消失，除了代表“结”要点的一些特定地点。我们还提供了经验证据，即我们的理论预测的不同可能发生与数据点不同的位置的结。

显示了最佳的收敛速率，显示了对保守随机偏微分方程的平均场限制对解决方案解决方案解决方案解决方案的收敛。作为第二个主要结果，该SPDE的定量中心极限定理再次得出，并以最佳的收敛速率得出。该结果尤其适用于在过叠层化的，浅的神经网络中与SPDES溶液中随机梯度下降动力学的平均场缩放率的收敛性。结果表明，在限制SPDE中包含波动可以提高收敛速度，并保留有关随机梯度下降的波动的信息。

我们因与Relu神经网络的参数双曲标量保护定律的近似值所产生的误差得出了严格的界限。我们表明，通过克服维度诅咒的relu神经网络，可以使近似误差尽可能小。此外，我们在训练误差，训练样本数量和神经网络大小方面提供了明确的上限。理论结果通过数值实验说明。

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.

本论文主要涉及解决深层（时间）高斯过程（DGP）回归问题的状态空间方法。更具体地，我们代表DGP作为分层组合的随机微分方程（SDES），并且我们通过使用状态空间过滤和平滑方法来解决DGP回归问题。由此产生的状态空间DGP（SS-DGP）模型生成丰富的电视等级，与建模许多不规则信号/功能兼容。此外，由于他们的马尔可道结构，通过使用贝叶斯滤波和平滑方法可以有效地解决SS-DGPS回归问题。本论文的第二次贡献是我们通过使用泰勒力矩膨胀（TME）方法来解决连续离散高斯滤波和平滑问题。这诱导了一类滤波器和SmooThers，其可以渐近地精确地预测随机微分方程（SDES）解决方案的平均值和协方差。此外，TME方法和TME过滤器和SmoOthers兼容模拟SS-DGP并解决其回归问题。最后，本文具有多种状态 - 空间（深）GPS的应用。这些应用主要包括（i）来自部分观察到的轨迹的SDES的未知漂移功能和信号的光谱 - 时间特征估计。

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.