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。

了解极端事件及其可能性是研究气候变化影响，风险评估，适应和保护生物的关键。在这项工作中，我们开发了一种方法来构建极端热浪的预测模型。这些模型基于卷积神经网络，对极长的8，000年气候模型输出进行了培训。由于极端事件之间的关系本质上是概率的，因此我们强调概率预测和验证。我们证明，深度神经网络适用于法国持续持续14天的热浪，快速动态驱动器提前15天（500 hpa地球电位高度场），并且在慢速较长的交货时间内，慢速物理时间驱动器（土壤水分）。该方法很容易实现和通用。我们发现，深神经网络选择了与北半球波数字3模式相关的极端热浪。我们发现，当将2米温度场添加到500 HPA地球电位高度和土壤水分场中时，2米温度场不包含任何新的有用统计信息。主要的科学信息是，训练深层神经网络预测极端热浪的发生是在严重缺乏数据的情况下发生的。我们建议大多数其他应用在大规模的大气和气候现象中都是如此。我们讨论了处理缺乏数据制度的观点，例如罕见的事件模拟，以及转移学习如何在后一种任务中发挥作用。

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。

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。

大坝破洪水中波传播的计算预测是流体动力和水文学中的长期问题。到目前为止，基于圣人方程的常规数值模型是主要方法。在这里，我们表明，以最少的数据训练的机器学习模型可以帮助预测一维大坝破洪水的长期动态行为，其精度令人满意。为此，我们使用lax-wendroff数值方案为一维大坝洪水方案求解了圣人方程，并通过模拟结果训练储层计算机网络（RC-ESN），由模拟结果组成时间序列深度。我们展示了RC-ESN模型的良好预测能力，该模型预测波传播行为286在大坝破洪水中，均方根误差（RMSE）小于0.01，表现优于传统的长期短期内存（LSTM）模型仅达到仅81个时步的可比RMSE。为了显示RC-ESN模型的性能，我们还提供了有关关键参数（包括训练集大小，储层大小和光谱半径）的预测准确性的灵敏度分析。结果表明，RC-ESN较少依赖训练集尺寸，介质储层尺寸k = 1200〜2600就足够了。我们确认光谱半径\ r {ho}对预测准确性显示了复杂的影响，并建议当前较小的光谱半径\ r {ho}。通过更改大坝断裂的初始流程深度，我们还得出了一个结论，即RC-ESN的预测范围大于LSTM的预测范围。

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。

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.

在本文中，我们提出了一种深度学习技术，用于数据驱动的流体介质中波传播的预测。该技术依赖于基于注意力的卷积复发自动编码器网络（AB-CRAN）。为了构建波传播数据的低维表示，我们采用了基于转化的卷积自动编码器。具有基于注意力的长期短期记忆细胞的AB-CRAN体系结构构成了我们的深度神经网络模型，用于游行低维特征的时间。我们评估了针对标准复发性神经网络的拟议的AB-Cran框架，用于波传播的低维学习。为了证明AB-Cran模型的有效性，我们考虑了三个基准问题，即一维线性对流，非线性粘性汉堡方程和二维圣人浅水系统。我们的新型AB-CRAN结构使用基准问题的空间 - 时空数据集，可以准确捕获波幅度，并在长期范围内保留溶液的波特性。与具有长期短期记忆细胞的标准复发性神经网络相比，基于注意力的序列到序列网络增加了预测的时间莫。 Denoising自动编码器进一步减少了预测的平方平方误差，并提高了参数空间中的概括能力。

许多科学和工程问题需要具有稀有和极端事件的准确模型。这些问题对数据驱动建模具有具有挑战性的任务，许多天真的机器学习方法无法预测或准确地量化这些事件。这种困难的一个原因是，具有极端事件的系统，根据定义，产生不平衡数据集，并且该标准损耗功能容易忽略稀有事件。也就是说，适合培训模型的良好良好度量的指标并非旨在确保对罕见事件的准确性。这项工作旨在通过考虑设计为突出异常值的损耗函数来提高回归模型的回归模型的性能。我们提出了一种新颖的损失功能，调整后的输出加权损耗，并将基于熵的损耗功能的适用性扩展到具有低维输出的系统。使用呈现极端事件的几种动态系统的案例测试所提出的功能，并显示在极端事件的预测中显着提高准确性。

对极端事件的风险评估需要准确估算超出历史观察范围的高分位数。当风险取决于观察到的预测因子的值时，回归技术用于在预测器空间中插值。我们提出的EQRN模型将来自神经网络和极值理论的工具结合到能够在存在复杂预测依赖性的情况下外推的方法中。神经网络自然可以在数据中融合其他结构。我们开发了EQRN的经常性版本，该版本能够在时间序列中捕获复杂的顺序依赖性。我们将这种方法应用于瑞士AARE集水区中洪水风险的预测。它利用从时空和时间上的多个协变量中利用信息，以提供对回报水平和超出概率的一日预测。该输出从传统的极值分析中补充了静态返回水平，并且预测能够适应不断变化的气候中经历的分配变化。我们的模型可以帮助当局更有效地管理洪水，并通过预警系统最大程度地减少其灾难性影响。

储层计算机（RCS）是所有神经网络训练最快的计算机之一，尤其是当它们与其他经常性神经网络进行比较时。 RC具有此优势，同时仍能很好地处理顺序数据。但是，由于该模型对其超参数（HPS）的敏感性，RC的采用率滞后于其他神经网络模型。文献中缺少一个自动调谐这些参数的现代统一软件包。手动调整这些数字非常困难，传统网格搜索方法的成本呈指数增长，随着所考虑的HP数量，劝阻RC的使用并限制了可以设计的RC模型的复杂性。我们通过引入RCTORCH来解决这些问题，Rctorch是一种基于Pytorch的RC神经网络软件包，具有自动HP调整。在本文中，我们通过使用它来预测不同力的驱动摆的复杂动力学来证明rctorch的实用性。这项工作包括编码示例。示例Python Jupyter笔记本可以在我们的GitHub存储库https://github.com/blindedjoy/rctorch上找到，可以在https://rctorch.readthedocs.io/上找到文档。

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。

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]。

Recent developments in quantum computing and machine learning have propelled the interdisciplinary study of quantum machine learning. Sequential modeling is an important task with high scientific and commercial value. Existing VQC or QNN-based methods require significant computational resources to perform the gradient-based optimization of a larger number of quantum circuit parameters. The major drawback is that such quantum gradient calculation requires a large amount of circuit evaluation, posing challenges in current near-term quantum hardware and simulation software. In this work, we approach sequential modeling by applying a reservoir computing (RC) framework to quantum recurrent neural networks (QRNN-RC) that are based on classical RNN, LSTM and GRU. The main idea to this RC approach is that the QRNN with randomly initialized weights is treated as a dynamical system and only the final classical linear layer is trained. Our numerical simulations show that the QRNN-RC can reach results comparable to fully trained QRNN models for several function approximation and time series prediction tasks. Since the QRNN training complexity is significantly reduced, the proposed model trains notably faster. In this work we also compare to corresponding classical RNN-based RC implementations and show that the quantum version learns faster by requiring fewer training epochs in most cases. Our results demonstrate a new possibility to utilize quantum neural network for sequential modeling with greater quantum hardware efficiency, an important design consideration for noisy intermediate-scale quantum (NISQ) computers.

心肌组织中电脉冲现象的分析对于心律节律疾病和其他心脏病生理学的诊断是重要的。心脏映射技术获取本地时间测量，并将它们与心脏表面相结合以可视化电生理波现象的传播。然而，低空间分辨率，稀疏测量位置，噪音和其他工件使得能够准确地可视化时空活动来挑战。例如，电解剖导管映射受测量的稀疏性严重限制，并且光学映射容易发生噪声和运动伪影。在过去，已经提出了几种方法来获得从嘈杂或稀疏映射数据的更可靠的地图。在这里，我们证明了深度学习可用于计算阶段地图和检测心室颤动的光学映射视频中的相位奇点，以及非常嘈杂，低分辨率和极其稀疏的旋流波混沌模拟导管映射数据的模拟数据。深度学习方法学习直接将相位映射和相奇异性的位置与短时空序列的电气数据序列联系起来。我们基于具有编码和解码结构的卷积神经网络测试了几种神经网络架构，以通过预测相位映射和相位奇异性的后续经典计算来预测直接或间接地预测相位映射或转子芯位置。可以跨不同数据执行预测，其中模型在一个物种上培训，然后成功应用于另一个物种，或者仅在模拟数据上培训，然后应用于实验数据。未来的用途可包括对基本心血管研究中的光学映射研究的分析，以及临床环境中心房颤动的映射。

由于在许多领域的无与伦比的成功，例如计算机视觉，自然语言处理，推荐系统以及最近在模拟多物理问题和预测非线性动力学系统方面，深度学习引起了人们的关注。但是，建模和预测混乱系统的动态仍然是一个开放的研究问题，因为训练深度学习模型需要大数据，在许多情况下，这并不总是可用的。可以通过从模拟结果获得的其他信息以及执行混乱系统的物理定律来培训这样的深度学习者。本文考虑了极端事件及其动态，并提出了基于深层神经网络的优雅模型，称为基于知识的深度学习（KDL）。我们提出的KDL可以通过直接从动力学及其微分方程中对真实和模拟数据进行联合培训来学习控制混乱系统的复杂模式。这些知识被转移到模型和预测现实世界中的混乱事件，表现出极端行为。我们通过在三个实际基准数据集上进行评估来验证模型的效率：El Nino海面温度，San Juan登革热病毒感染和BJ {\ o} rn {\ o} ya每日降水，所有这些都受极端事件的控制'动态。利用对极端事件和基于物理的损失功能的先验知识来领导神经网络学习，我们即使在小型数据制度中也可以确保身体一致，可推广和准确的预测。

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.

基于签名的技术使数学洞察力洞悉不断发展的数据的复杂流之间的相互作用。这些见解可以自然地转化为理解流数据的数值方法，也许是由于它们的数学精度，已被证明在数据不规则而不是固定的情况下分析流的数据以及数据和数据的尺寸很有用样本量均为中等。了解流的多模式数据是指数的：$ d $ d $的字母中的$ n $字母中的一个单词可以是$ d^n $消息之一。签名消除了通过采样不规则性引起的指数级噪声，但仍然存在指数量的信息。这项调查旨在留在可以直接管理指数缩放的域中。在许多问题中，可伸缩性问题是一个重要的挑战，但需要另一篇调查文章和进一步的想法。这项调查描述了一系列环境集足够小以消除大规模机器学习的可能性，并且可以有效地使用一小部分免费上下文和原则性功能。工具的数学性质可以使他们对非数学家的使用恐吓。本文中介绍的示例旨在弥合此通信差距，并提供从机器学习环境中绘制的可进行的工作示例。笔记本可以在线提供这些示例中的一些。这项调查是基于伊利亚·雪佛兰（Ilya Chevryev）和安德烈·科米利津（Andrey Kormilitzin）的早期论文，它们在这种机械开发的较早时刻大致相似。本文说明了签名提供的理论见解是如何在对应用程序数据的分析中简单地实现的，这种方式在很大程度上对数据类型不可知。

随着我们感知增强的能力，我们正在经历从数据贫困问题的过渡，其中中心问题是缺乏相关数据，即数据越来越多的问题，其中核心问题是确定一个中的一些相关功能海洋观察。通过在重力波天体物理学中应用的激励，我们研究了从检测器及其环境中丰富的测量值收集的引力波检测器中瞬时噪声伪影的存在。我们认为，功能学习 - 从数据中优化了哪些相关功能 - 对于实现高精度至关重要。我们引入的模型将错误率降低60％以上，而不是先前使用固定的手工制作功能的最新现状。功能学习不仅有用，因为它可以提高预测任务的性能；结果提供了有关与感兴趣现象相关的模式的宝贵信息，否则这些现象将是无法发现的。在我们的应用程序中，发现与瞬态噪声相关的功能提供了有关其起源的诊断信息，并建议缓解策略。在高维环境中学习具有挑战性。通过使用各种体系结构的实验，我们确定了成功模型中的两个关键因素：稀疏性，用于在高维观测中选择相关变量；和深度，这赋予了处理复杂相互作用和相对于时间变化的鲁棒性的灵活性。我们通过对实际检测器数据进行系统的实验来说明它们的意义。我们的结果提供了对机器学习社区中常见假设的实验性佐证，并具有直接适用于提高我们感知引力波的能力以及许多其他具有类似高维，嘈杂或部分无关数据的问题的问题。

我们研究机器学习（ML）和深度学习（DL）算法的能力，基于地下温度观察推断表面/地面交换通量。观察和助势是由代表哥伦比亚河附近的高分辨率数值模型，位于华盛顿州东南部的能源部汉福德遗址附近。随机测量误差，不同幅度的加入合成温度观察。结果表明，两个ML和DL方法可用于推断表面/地面交换通量。 DL方法，尤其是卷积神经网络，当用于用施加的平滑滤波器解释噪声温度数据时越高。然而，ML方法也表现良好，它们可以更好地识别减少数量的重要观察，这对于测量网络优化也是有用的。令人惊讶的是，M1和DL方法比向下通量更好地推断出向上的助焊剂。这与使用数值模型从温度观测推断出来的先前发现与先前的发现与先前的发现相反，并且可能表明将ML或DL推断的组合使用与数值推断相结合可以改善河流系统下方的助焊剂估计。