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。

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.

事实证明，神经操作员是无限维函数空间之间非线性算子的强大近似值，在加速偏微分方程（PDE）的溶液方面是有希望的。但是，它需要大量的模拟数据，这些数据可能成本高昂，从而导致鸡肉 - 蛋的困境并限制其在求解PDE中的使用。为了摆脱困境，我们提出了一个无数据的范式，其中神经网络直接从由离散的PDE构成的平方平方残留（MSR）损失中学习物理。我们研究了MSR损失中的物理信息，并确定神经网络必须具有对PDE空间域中的远距离纠缠建模的挑战，PDE的空间域中的模式在不同的PDE中有所不同。因此，我们提出了低级分解网络（Lordnet），该网络可调节，并且也有效地建模各种纠缠。具体而言，Lordnet通过简单的完全连接的层学习了与全球纠缠的低级别近似值，从而以降低的计算成本来提取主要模式。关于解决泊松方程和纳维尔 - 长方式方程的实验表明，MSR损失的物理约束可以提高神经网络的精确度和泛化能力。此外，Lordnet在PDE中的其他现代神经网络体系结构都优于最少的参数和最快的推理速度。对于Navier-Stokes方程式，学习的运算符的速度比具有相同计算资源的有限差异解决方案快50倍。

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.

深度学习替代模型已显示出在解决部分微分方程（PDE）方面的希望。其中，傅立叶神经操作员（FNO）达到了良好的准确性，并且与数值求解器（例如流体流量）上的数值求解器相比要快得多。但是，FNO使用快速傅立叶变换（FFT），该变换仅限于具有均匀网格的矩形域。在这项工作中，我们提出了一个新框架，即Geo-Fno，以解决任意几何形状的PDE。 Geo-FNO学会将可能不规则的输入（物理）结构域变形为具有均匀网格的潜在空间。具有FFT的FNO模型应用于潜在空间。所得的GEO-FNO模型既具有FFT的计算效率，也具有处理任意几何形状的灵活性。我们的Geo-FNO在其输入格式，，即点云，网格和设计参数方面也很灵活。我们考虑了各种PDE，例如弹性，可塑性，Euler和Navier-Stokes方程，以及正向建模和逆设计问题。与标准数值求解器相比，与标准数值求解器相比，Geo-fno的价格比标准数值求解器快两倍，与在现有基于ML的PDE求解器（如标准FNO）上进行直接插值相比，Geo-fno更准确。

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。

随着计算能力的增加和机器学习的进步，基于数据驱动的学习方法在解决PDE方面引起了极大的关注。物理知识的神经网络（PINN）最近出现并成功地在各种前进和逆PDES问题中取得了成功，其优异的特性，例如灵活性，无网格解决方案和无监督的培训。但是，它们的收敛速度较慢和相对不准确的解决方案通常会限制其在许多科学和工程领域中的更广泛适用性。本文提出了一种新型的数据驱动的PDES求解器，物理知识的细胞表示（Pixel），优雅地结合了经典数值方法和基于学习的方法。我们采用来自数值方法的网格结构，以提高准确性和收敛速度并克服PINN中呈现的光谱偏差。此外，所提出的方法在PINN中具有相同的好处，例如，使用相同的优化框架来解决前进和逆PDE问题，并很容易通过现代自动分化技术强制执行PDE约束。我们为原始Pinn所努力的各种具有挑战性的PDE提供了实验结果，并表明像素达到了快速收敛速度和高精度。

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。

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。

深入学习被证明是通过物理信息的神经网络（PINNS）求解部分微分方程（PDE）的有效工具。 Pinns将PDE残差嵌入到神经网络的损耗功能中，已成功用于解决各种前向和逆PDE问题。然而，第一代Pinns的一个缺点是它们通常具有许多训练点即使具有有限的准确性。在这里，我们提出了一种新的方法，梯度增强的物理信息的神经网络（GPInns），用于提高Pinns的准确性和培训效率。 GPInns利用PDE残差的梯度信息，并将梯度嵌入损耗功能。我们广泛地测试了GPinns，并证明了GPInns在前进和反向PDE问题中的有效性。我们的数值结果表明，GPInn比贴图更好地表现出较少的训练点。此外，我们将GPIn与基于残留的自适应细化（RAR）的方法组合，一种用于在训练期间自适应地改善训练点分布的方法，以进一步提高GPInn的性能，尤其是具有陡峭梯度的溶液的PDE。

我们制定了一类由物理驱动的深层变量模型（PDDLVM），以学习参数偏微分方程（PDES）的参数到解决方案（正向）和解决方案到参数（逆）图。我们的公式利用有限元方法（FEM），深神经网络和概率建模来组装一个深层概率框架，在该框架中，向前和逆图通过连贯的不确定性量化近似。我们的概率模型明确合并了基于参数PDE的密度和可训练的解决方案到参数网络，而引入的摊销变异家庭假定参数到解决方案网络，所有这些网络均经过联合培训。此外，所提出的方法不需要任何昂贵的PDE解决方案，并且仅在训练时间内对物理信息进行了信息，该方法允许PDE的实时仿真和培训后的逆问题解决方案的产生，绕开了对FEM操作的需求，以相当的准确性，以便于FEM解决方案。提出的框架进一步允许无缝集成观察到的数据，以解决反问题和构建生成模型。我们证明了方法对非线性泊松问题，具有复杂3D几何形状的弹性壳以及整合通用物理信息信息的神经网络（PINN）体系结构的有效性。与传统的FEM求解器相比，训练后，我们最多达到了三个数量级的速度，同时输出连贯的不确定性估计值。

最近在科学机器学习的工作已经开发出所谓的物理信息的神经网络（Pinn）模型。典型方法是将物理域知识纳入经验丢失功能的软限制，并使用现有的机器学习方法来培训模型。我们展示了，虽然现有的Pinn方法可以学习良好的模型，但它们可以轻松地未能学习相关的物理现象，甚至更复杂的问题。特别是，我们分析了众多不同的普遍物理兴趣的情况，包括使用对流，反应和扩散运营商学习微分方程。我们提供了证据表明Pinns中的软正规化，涉及基于PDE的差分运营商，可以引入许多微妙的问题，包括使问题更加不良。重要的是，我们表明，这些可能的失败模式不是由于NN架构中缺乏富有效力，但Pinn的设置使得损失景观很难优化。然后，我们描述了两个有希望的解决方案来解决这些故障模式。第一种方法是使用课程正则化，其中Pinn的丢失项从简单的PDE正则化开始，并且随着NN训练而变得逐渐变得更加复杂。第二种方法是将问题构成为序列到序列的学习任务，而不是学习一次性地预测整个时空。广泛的测试表明，与常规Pinn训练相比，我们可以通过这些方法实现最多1-2个数量级。

标准的神经网络可以近似一般的非线性操作员，要么通过数学运算符的组合（例如，在对流 - 扩散反应部分微分方程中）的组合，要么仅仅是黑匣子，例如黑匣子，例如一个系统系统。第一个神经操作员是基于严格的近似理论于2019年提出的深层操作员网络（DeepOnet）。从那时起，已经发布了其他一些较少的一般操作员，例如，基于图神经网络或傅立叶变换。对于黑匣子系统，对神经操作员的培训仅是数据驱动的，但是如果知道管理方程式可以在培训期间将其纳入损失功能，以开发物理知识的神经操作员。神经操作员可以用作设计问题，不确定性量化，自主系统以及几乎任何需要实时推断的应用程序中的代替代物。此外，通过将它们与相对轻的训练耦合，可以将独立的预训练deponets用作复杂多物理系统的组成部分。在这里，我们介绍了Deponet，傅立叶神经操作员和图神经操作员的评论，以及适当的扩展功能扩展，并突出显示它们在计算机械师中的各种应用中的实用性，包括多孔媒体，流体力学和固体机制， 。

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。

在本文中，我们演示并调查了一些挑战，这些挑战阻碍了使用物理知识的神经网络解决复杂问题的方式。特别是，我们可视化受过训练的模型的损失景观，并在存在物理学的情况下对反向传播梯度进行灵敏度分析。我们的发现表明，现有的方法产生了难以导航的高度非凸损失景观。此外，高阶PDE污染了可能阻碍或防止收敛的反向传播梯度。然后，我们提出了一种新的方法，该方法绕过了高阶PDE操作员的计算并减轻反向传播梯度的污染。为此，我们降低了解决方案搜索空间的维度，并通过非平滑解决方案促进学习问题。我们的配方还提供了一种反馈机制，可帮助我们的模型适应地专注于难以学习的领域的复杂区域。然后，我们通过调整Lagrange乘数方法来提出一个无约束的二重问题。我们运用我们的方法来解决由线性和非线性PDE控制的几个具有挑战性的基准问题。

Navier-Stokes方程是描述液体和空气等流体运动的重要部分微分方程。由于Navier-Stokes方程的重要性，有效的数值方案的发展对科学和工程师都很重要。最近，随着AI技术的开发，已经设计了几种方法来整合深层神经网络，以模拟和推断不可压缩的Navier-Stokes方程所控制的流体动力学，这些方程可以以无网状和可不同的方式加速模拟或推断过程。在本文中，我们指出，现有的深入Navier-Stokes知情方法的能力仅限于处理非平滑或分数方程，这在现实中是两种关键情况。为此，我们提出了\ emph {深入的随机涡流方法}（drvm），该方法将神经网络与随机涡流动力学系统相结合，等效于Navier-Stokes方程。具体而言，随机涡流动力学激发了用于训练神经网络的基于蒙特卡洛的损失函数，从而避免通过自动差异计算衍生物。因此，DRVM不仅可以有效地求解涉及粗糙路径，非差异初始条件和分数运算符的Navier-Stokes方程，而且还继承了基于深度学习的求解器的无网格和可区分优势。我们对凯奇问题，参数求解器学习以及2-D和3-D不可压缩的Navier-Stokes方程的逆问题进行实验。所提出的方法为Navier-Stokes方程的仿真和推断提供了准确的结果。特别是对于包括奇异初始条件的情况，DRVM明显胜过现有的PINN方法。

部分微分方程（PDES）在科学和工程的许多学科中都是普遍的，难以解决。通常，PDE的闭合形式溶液不可用，数值近似方法是计算昂贵的。 PDE的参数在许多应用中是可变的，例如逆问题，控制和优化，风险评估和不确定性量化。在这些应用程序中，我们的目标是解决参数PDE而不是其中一个实例。我们所提出的方法，称为元 - 自动解码器（MAD），将参数PDES作为元学习问题求解，并利用\ Cite {Park2019DeepsDF}中的自动解码器结构来处理不同的任务/ PDE。从PDE管理方程和边界条件诱导的物理知识损失被用作不同任务的培训损失。疯狂的目标是学习一个良好的模型初始化，可以概括不同的任务，最终使未能学习的任务能够更快地学习。疯狂的灵感来自于（猜想）参数PDE解决方案的低维结构，并从流形学习的角度解释了我们的方法。最后，我们展示了疯狂的力量，虽然广泛的数值研究，包括汉堡等式，拉普尔斯方程和时域麦克斯韦方程。与其他深度学习方法相比，MAD表现出更快的收敛速度而不会失去准确性。

Solute transport in porous media is relevant to a wide range of applications in hydrogeology, geothermal energy, underground CO2 storage, and a variety of chemical engineering systems. Due to the complexity of solute transport in heterogeneous porous media, traditional solvers require high resolution meshing and are therefore expensive computationally. This study explores the application of a mesh-free method based on deep learning to accelerate the simulation of solute transport. We employ Physics-informed Neural Networks (PiNN) to solve solute transport problems in homogeneous and heterogeneous porous media governed by the advection-dispersion equation. Unlike traditional neural networks that learn from large training datasets, PiNNs only leverage the strong form mathematical models to simultaneously solve for multiple dependent or independent field variables (e.g., pressure and solute concentration fields). In this study, we construct PiNN using a periodic activation function to better represent the complex physical signals (i.e., pressure) and their derivatives (i.e., velocity). Several case studies are designed with the intention of investigating the proposed PiNN's capability to handle different degrees of complexity. A manual hyperparameter tuning method is used to find the best PiNN architecture for each test case. Point-wise error and mean square error (MSE) measures are employed to assess the performance of PiNNs' predictions against the ground truth solutions obtained analytically or numerically using the finite element method. Our findings show that the predictions of PiNN are in good agreement with the ground truth solutions while reducing computational complexity and cost by, at least, three orders of magnitude.

Recently, neural networks have proven their impressive ability to solve partial differential equations (PDEs). Among them, Fourier neural operator (FNO) has shown success in learning solution operators for highly non-linear problems such as turbulence flow. FNO is discretization-invariant, where it can be trained on low-resolution data and generalizes to problems with high-resolution. This property is related to the low-pass filters in FNO, where only a limited number of frequency modes are selected to propagate information. However, it is still a challenge to select an appropriate number of frequency modes and training resolution for different PDEs. Too few frequency modes and low-resolution data hurt generalization, while too many frequency modes and high-resolution data are computationally expensive and lead to over-fitting. To this end, we propose Incremental Fourier Neural Operator (IFNO), which augments both the frequency modes and data resolution incrementally during training. We show that IFNO achieves better generalization (around 15% reduction on testing L2 loss) while reducing the computational cost by 35%, compared to the standard FNO. In addition, we observe that IFNO follows the behavior of implicit regularization in FNO, which explains its excellent generalization ability.

在科学和工程应用中，通常需要反复解决类似的计算问题。在这种情况下，我们可以利用先前解决的问题实例中的数据来提高查找后续解决方案的效率。这提供了一个独特的机会，可以将机器学习（尤其是元学习）和科学计算相结合。迄今为止，文献中已经提出了各种此类域特异性方法，但是设计这些方法的通用方法仍然不足。在本文中，我们通过制定一个通用框架来描述这些问题，并提出一种基于梯度的算法来以统一的方式解决这些问题。作为这种方法的说明，我们研究了迭代求解器的适应性参数的自适应生成，以加速微分方程的溶液。我们通过理论分析和数值实验来证明我们方法的性能和多功能性，包括应用于不可压缩流量模拟的应用以及参数估计的逆问题。