我们提出了一种基于物理知识的随机投影神经网络的数值方法，用于解决常微分方程（ODES）的初始值问题（IVPS）的解决方案，重点是僵硬的问题。我们使用具有径向基函数的单个隐藏层来解决一个极端学习机，其具有宽度均匀分布的随机变量，而输入和隐藏层之间的权重的值设置为等于1。通过构造非线性代数方程的系统来获得IVPS的数值解决方案，该系统由高斯-Nythto方法通过Gauss-Newton方法解决了输出权重，以调整集成时间间隔的简单自适应方案。为了评估其性能，我们应用了四个基准僵硬IVPS解决方案的提议方法，即预热罗宾逊，梵德，罗伯和雇用问题。我们的方法与基于Dormand-Prince对的自适应跳动-Kutta方法进行比较，以及基于数值差分公式的可变步骤可变序列多步解算器，如\ texttt {ode45}和\ texttt {ode15s}所实现的MATLAB功能分别。我们表明所提出的方案产生良好的近似精度，从而优于\ texttt {ode45}和\ texttt {ode15s}，尤其是在出现陡峭梯度的情况下。此外，我们的方法的计算时间与两种Matlab溶剂的计算时间用于实际目的。

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。

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。

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.

这项调查的目的是介绍对深神经网络的近似特性的解释性回顾。具体而言，我们旨在了解深神经网络如何以及为什么要优于其他经典线性和非线性近似方法。这项调查包括三章。在第1章中，我们回顾了深层网络及其组成非线性结构的关键思想和概念。我们通过在解决回归和分类问题时将其作为优化问题来形式化神经网络问题。我们简要讨论用于解决优化问题的随机梯度下降算法以及用于解决优化问题的后传播公式，并解决了与神经网络性能相关的一些问题，包括选择激活功能，成本功能，过度适应问题和正则化。在第2章中，我们将重点转移到神经网络的近似理论上。我们首先介绍多项式近似中的密度概念，尤其是研究实现连续函数的Stone-WeierStrass定理。然后，在线性近似的框架内，我们回顾了馈电网络的密度和收敛速率的一些经典结果，然后在近似Sobolev函数中进行有关深网络复杂性的最新发展。在第3章中，利用非线性近似理论，我们进一步详细介绍了深度和近似网络与其他经典非线性近似方法相比的近似优势。

物理知识的神经网络（PINNS）最近由于解决前进和反向问题的能力而受到了很多关注。为了训练与PINN相关的深层神经网络，通常会使用不同损失项的加权总和构建总损耗函数，然后尝试将其最小化。这种方法通常会成为解决刚性方程式的问题，因为它不能考虑自适应增量。许多研究报告说，PINN的性能不佳及其在模拟僵硬的普通差分条件（ODE）条件下模拟僵硬的化学活动问题方面的挑战。研究表明，刚度是PINN在模拟刚性动力学系统中失败的主要原因。在这里，我们通过提出减少损失函数的弱形式来解决这个问题，这导致了新的PINN结构（进一步称为还原Pinn），该结构利用降低的集成方法来使Pinn能够求解僵硬的化学动力学。所提出的还原细菌可以应用于涉及僵硬动力学的各种反应扩散系统。为此，我们将初始价值问题（IVP）转换为它们的等效积分形式，并使用物理知识的神经网络求解所得的积分方程。在我们派生的基于积分的优化过程中，只有一个术语，而没有明确合并与普通微分方程（ODE）和初始条件（ICS）相关的损失项。为了说明减少细菌的功能，我们用它来模拟多个僵硬/轻度的二阶频率。我们表明，还原的Pinn可准确捕获刚性标量颂歌的溶液。我们还针对线性ODES的硬质系统验证了还原的Pinn。

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.

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。

在这项工作中，我们分析了不同程度的不同精度和分段多项式测试函数如何影响变异物理学知情神经网络（VPINN）的收敛速率，同时解决椭圆边界边界值问题，如何影响变异物理学知情神经网络（VPINN）的收敛速率。使用依靠INF-SUP条件的Petrov-Galerkin框架，我们在精确解决方案和合适的计算神经网络的合适的高阶分段插值之间得出了一个先验误差估计。数值实验证实了理论预测并突出了INF-SUP条件的重要性。我们的结果表明，以某种方式违反直觉，对于平滑解决方案，实现高衰减率的最佳策略在选择最低多项式程度的测试功能方面，同时使用适当高精度的正交公式。

基于多维时间序列预测的歧管学习，我们解决了三层数值框架。在第一步，我们使用诸如局部线性嵌入和扩散图的非线性歧管学习算法将时间序列嵌入到降低的低维空间中。在第二步，我们在歧管中构建倒计阶回归模型，特别是多变量自回归（MVAR）和高斯过程回归（GPR）模型，以预测嵌入式动态。在最后一步，我们使用径向基函数插值和几何谐波将嵌入的时间序列抬回原始的高维空间。对于我们的插图，我们使用四组时间序列测试所提出的数值方案的预测性能：三种合成随机等于具有不同模型订单的线性和非线性随机模型的EEG信号，以及包含每日时间的一个真实数据集跨越时间段03 / 09/2001-29 / 10/2020的10个关键外汇汇率（外汇）系列。使用歧管学习，建模和提升方法的组合评估所提出的数值方案的预测性能。我们还提供与主成分分析算法以及天真随机步道模型的比较，以及培训的MVAR和GPR模型直接在高维空间中实现。

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

本文提出了一个无网格的计算框架和机器学习理论，用于在未知的歧管上求解椭圆形PDE，并根据扩散地图（DM）和深度学习确定点云。 PDE求解器是作为监督的学习任务制定的，以解决最小二乘回归问题，该问题施加了近似PDE的代数方程（如果适用）。该代数方程涉及通过DM渐近扩展获得的图形拉平型矩阵，该基质是二阶椭圆差差算子的一致估计器。最终的数值方法是解决受神经网络假设空间解决方案的高度非凸经验最小化问题。在体积良好的椭圆PDE设置中，当假设空间由具有无限宽度或深度的神经网络组成时，我们表明，经验损失函数的全球最小化器是大型训练数据极限的一致解决方案。当假设空间是一个两层神经网络时，我们表明，对于足够大的宽度，梯度下降可以识别经验损失函数的全局最小化器。支持数值示例证明了解决方案的收敛性，范围从具有低和高共限度的简单歧管到具有和没有边界的粗糙表面。我们还表明，所提出的NN求解器可以在具有概括性误差的新数据点上稳健地概括PDE解决方案，这些误差几乎与训练错误相同，从而取代了基于Nystrom的插值方法。

Low-rank matrix approximations, such as the truncated singular value decomposition and the rank-revealing QR decomposition, play a central role in data analysis and scientific computing. This work surveys and extends recent research which demonstrates that randomization offers a powerful tool for performing low-rank matrix approximation. These techniques exploit modern computational architectures more fully than classical methods and open the possibility of dealing with truly massive data sets.This paper presents a modular framework for constructing randomized algorithms that compute partial matrix decompositions. These methods use random sampling to identify a subspace that captures most of the action of a matrix. The input matrix is then compressed-either explicitly or implicitly-to this subspace, and the reduced matrix is manipulated deterministically to obtain the desired low-rank factorization. In many cases, this approach beats its classical competitors in terms of accuracy, speed, and robustness. These claims are supported by extensive numerical experiments and a detailed error analysis.The specific benefits of randomized techniques depend on the computational environment. Consider the model problem of finding the k dominant components of the singular value decomposition of an m × n matrix. (i) For a dense input matrix, randomized algorithms require O(mn log(k)) floating-point operations (flops) in contrast with O(mnk) for classical algorithms. (ii) For a sparse input matrix, the flop count matches classical Krylov subspace methods, but the randomized approach is more robust and can easily be reorganized to exploit multi-processor architectures. (iii) For a matrix that is too large to fit in fast memory, the randomized techniques require only a constant number of passes over the data, as opposed to O(k) passes for classical algorithms. In fact, it is sometimes possible to perform matrix approximation with a single pass over the data.

在本文中，开发了一种新的不连续性捕获浅神经网络（DCSNN），以近似于$ d $ d $二维的分段连续功能和解决椭圆界面问题。当前网络中有三个新颖的功能。即，（i）跳跃不连续性被准确捕获，（ii）它完全浅，仅包含一个隐藏层，（iii）它完全无网格，用于求解部分微分方程。这里的关键想法是，可以将$ d $维的分段连续函数扩展到$（d+1）$ - 尺寸空间中定义的连续函数，其中增强坐标变量标记每个子域的零件。然后，我们构建一个浅神经网络来表达这一新功能。由于仅使用一个隐藏层，因此训练参数（权重和偏见）的数量与隐藏层中使用的维度和神经元线性缩放。为了解决椭圆界面问题，通过最大程度地减少由管理方程式，边界条件和接口跳跃条件组成的均方误差损失来训练网络。我们执行一系列数值测试以证明本网络的准确性。我们的DCSNN模型由于仅需要训练的参数数量中等（在所有数值示例中使用了几百个参数），因此很有效，结果表明准确性良好。与传统的基于网格的浸入界面方法（IIM）获得的结果相比，该方法专门针对椭圆界面问题而设计，我们的网络模型比IIM表现出更好的精度。我们通过解决一个六维问题来结论，以证明本网络在高维应用中的能力。

在科学的背景下，众所周知的格言“一张图片胜过千言万语”可能是“一个型号胜过一千个数据集”。在本手稿中，我们将Sciml软件生态系统介绍作为混合物理法律和科学模型的信息，并使用数据驱动的机器学习方法。我们描述了一个数学对象，我们表示通用微分方程（UDE），作为连接生态系统的统一框架。我们展示了各种各样的应用程序，从自动发现解决高维汉密尔顿 - Jacobi-Bellman方程的生物机制，可以通过UDE形式主义和工具进行措辞和有效地处理。我们展示了软件工具的一般性，以处理随机性，延迟和隐式约束。这使得各种SCIML应用程序变为核心训练机构的核心集，这些训练机构高度优化，稳定硬化方程，并与分布式并行性和GPU加速器兼容。

Deep learning has achieved remarkable success in diverse applications; however, its use in solving partial differential equations (PDEs) has emerged only recently. Here, we present an overview of physics-informed neural networks (PINNs), which embed a PDE into the loss of the neural network using automatic differentiation. The PINN algorithm is simple, and it can be applied to different types of PDEs, including integro-differential equations, fractional PDEs, and stochastic PDEs. Moreover, from the implementation point of view, PINNs solve inverse problems as easily as forward problems. We propose a new residual-based adaptive refinement (RAR) method to improve the training efficiency of PINNs. For pedagogical reasons, we compare the PINN algorithm to a standard finite element method. We also present a Python library for PINNs, DeepXDE, which is designed to serve both as an education tool to be used in the classroom as well as a research tool for solving problems in computational science and engineering. Specifically, DeepXDE can solve forward problems given initial and boundary conditions, as well as inverse problems given some extra measurements. DeepXDE supports complex-geometry domains based on the technique of constructive solid geometry, and enables the user code to be compact, resembling closely the mathematical formulation. We introduce the usage of DeepXDE and its customizability, and we also demonstrate the capability of PINNs and the user-friendliness of DeepXDE for five different examples. More broadly, DeepXDE contributes to the more rapid development of the emerging Scientific Machine Learning field.

在广泛的应用程序中，从观察到的数据中识别隐藏的动态是一项重大且具有挑战性的任务。最近，线性多步法方法（LMM）和深度学习的结合已成功地用于发现动力学，而对这种方法进行完整的收敛分析仍在开发中。在这项工作中，我们考虑了基于网络的深度LMM，以发现动态。我们使用深网的近似属性提出了这些方法的错误估计。它指出，对于某些LMMS的家庭，$ \ ell^2 $网格错误由$ O（H^p）$的总和和网络近似错误，其中$ h $是时间步长和$P $是本地截断错误顺序。提供了几个物理相关示例的数值结果，以证明我们的理论。

我们提出了一种深度学习策略，以估计级别方法中二维隐式接口的平均曲率。我们的方法是基于拟合馈送的神经网络与由沉浸在各种分辨率均匀网格中的圆形界面构建的合成数据集。这些多层感知器处理自由边界旁边的网格点的级别值，并在接口上最接近的位置输出无量纲曲率。在统一和自适应网格中，涉及不规则界面的精确分析表明，我们的模型与$ l^1 $和$ l^2 $规范中的传统数值方案具有竞争力。特别是，当界面具有陡峭的曲率区域以及重新初始化水平集函数的迭代次数时，我们的神经网络在粗分辨率中以可比精度近似于曲率。尽管传统的数值方法比我们的框架更强大，但我们的结果揭示了机器学习的潜力，以处理已知级别方法遇到困难的计算任务。我们还确定，与通用神经网络相比，可以设计出依赖于应用程序的局部分辨率的局部分辨率图来更有效地估计平均曲率。

我们证明了由例如He等人提出的广泛使用的方法。（2015年）并使用梯度下降对最小二乘损失进行训练并不普遍。具体而言，我们描述了一大批一维数据生成分布，较高的概率下降只会发现优化景观的局部最小值不好，因为它无法将其偏离偏差远离其初始化，以零移动。。事实证明，在这些情况下，即使目标函数是非线性的，发现的网络也基本执行线性回归。我们进一步提供了数值证据，表明在实际情况下，对于某些多维分布而发生这种情况，并且随机梯度下降表现出相似的行为。我们还提供了有关初始化和优化器的选择如何影响这种行为的经验结果。