在对地下地震成像的研究中，求解声波方程是现有模型中的关键成分。随着深度学习的发展，神经网络通过学习输入和方程解决方案之间的映射，特别是波动方程式，将神经网络应用于数值求解部分微分方程，因为如果要花很多时间，传统方法可能会很耗时解决了。以前专注于通过神经网络解决波动方程的工作考虑单个速度模型或多个简单速度模型，这在实践中受到限制。因此，受操作员学习的构想的启发，这项工作利用了傅立叶神经操作员（FNO）在可变速度模型的背景下有效地学习频域地震波场。此外，我们提出了一个与傅立叶神经操作员（PFNO）并行的新框架，以有效地训练基于FNO的求解器，给定多个源位置和频率。数值实验证明了OpenFWI数据集中使用复杂速度模型的FNO和PFNO的高精度。此外，跨数据集泛化测试验证了PFNO适应过分速度模型的。同样，在标签中存在随机噪声的情况下，PFNO具有强大的性能。最后，与传统的有限差异方法相比，PFNO在大规模测试数据集上接受了更高的计算效率。上述优势赋予了基于FNO的求解器的潜力，可以为地震波研究建立强大的模型。

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。

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。

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.

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， 。

高维时空动力学通常可以在低维子空间中编码。用于建模，表征，设计和控制此类大规模系统的工程应用通常依赖于降低尺寸，以实时计算解决方案。降低维度的常见范例包括线性方法，例如奇异值分解（SVD）和非线性方法，例如卷积自动编码器（CAE）的变体。但是，这些编码技术缺乏有效地表示与时空数据相关的复杂性的能力，后者通常需要可变的几何形状，非均匀的网格分辨率，自适应网格化和/或参数依赖性。为了解决这些实用的工程挑战，我们提出了一个称为神经隐式流（NIF）的一般框架，该框架可以实现大型，参数，时空数据的网格不稳定，低级别表示。 NIF由两个修改的多层感知器（MLP）组成：（i）shapenet，它分离并代表空间复杂性，以及（ii）参数，该参数解释了任何其他输入复杂性，包括参数依赖关系，时间和传感器测量值。我们演示了NIF用于参数替代建模的实用性，从而实现了复杂时空动力学的可解释表示和压缩，有效的多空间质量任务以及改善了稀疏重建的通用性能。

电磁（EM）成像广泛用于感应安全性，生物医学，地球物理学和各种行业。这是一个不当的逆问题，其解决方案通常在计算上昂贵。机器学习（ML）技术，尤其是深度学习（DL）在快速准确的成像中显示出潜力。但是，纯粹的数据驱动方法的高性能依赖于构建与实用方案一致的训练集，而在EM成像任务中通常不可能。因此，普遍性成为主要问题。另一方面，物理原理是EM现象的基础，并为当前的成像技术提供了基准。为了从大数据中的先验知识和物理定律的理论约束中受益，物理学嵌入的ML成像方法已成为近期大量工作的重点。本文调查了各种方案，以将物理学纳入基于学习的EM成像中。我们首先介绍有关逆问题的EM成像和基本公式的背景。然后，我们专注于将物理和ML进行线性和非线性成像组合的三种类型的策略，并讨论它们的优势和局限性。最后，我们在这个快速发展的领域中以公开的挑战和可能的前进方式得出结论。我们的目的是促进将有效，可解释和可控制的智能EM成像方法的研究。

地震波的频域模拟在地震反演中起着重要作用，但在大型模型中仍然具有挑战性。作为有效的深度学习方法，最近提出的物理知识的神经网络（PINN）在解决广泛的偏微分方程（PDES）方面取得了成功的应用，并且在这方面仍然有改进的余地。例如，当PDE系数不平滑并描述结构复合介质时，PINN可能导致溶液不准确。在本文中，我们通过使用PINN而不是波方程来求解频域中的声学和Visco声学散射的场波方程，以消除源奇异性。我们首先说明，当在损失函数中未实现边界条件时，非平滑速度模型导致波场不准确。然后，我们在PINN的损耗函数中添加了完美匹配的层（PML）条件，并设计了二次神经网络，以克服PINN中非平滑模型的有害影响。我们表明，PML和二次神经元改善了结果和衰减，并讨论了这种改进的原因。我们还说明，在波场模拟中训练的网络可用于预先训练PDE-Coeff及时改变后另一个波场模拟的神经网络，并相应地提高收敛速度。当两次连续迭代或两个连续的实验之间的模型扰动时，这种预训练策略应在迭代全波形反转（FWI）和时置目标成像中找到应用。

我们展示了OpenFWI，是用于地震全波形反演（FWI）的大型开源基准数据集的集合。OpenFWI是地球科学和机器学习界的一流，以促进对基于机器学习的FWI多元化，严谨和可重复的研究。OpenFWI包括多个尺度的数据集，包含不同的域，涵盖各种级别的模型复杂性。除了数据集之外，我们还对每个数据集进行实证研究，具有完全卷积的深度学习模型。OpenFWI已被核心维护，并将通过新数据和实验结果定期更新。我们感谢社区的投入，帮助我们进一步改进OpenFWI。在当前版本，我们在OpenFWI中发布了七个数据集，其中为3D FWI指定了一个，其余的是2D场景。所有数据集和相关信息都可以通过我们的网站访问https://openfwi.github.io/。

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。

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。

We present an end-to-end framework to learn partial differential equations that brings together initial data production, selection of boundary conditions, and the use of physics-informed neural operators to solve partial differential equations that are ubiquitous in the study and modeling of physics phenomena. We first demonstrate that our methods reproduce the accuracy and performance of other neural operators published elsewhere in the literature to learn the 1D wave equation and the 1D Burgers equation. Thereafter, we apply our physics-informed neural operators to learn new types of equations, including the 2D Burgers equation in the scalar, inviscid and vector types. Finally, we show that our approach is also applicable to learn the physics of the 2D linear and nonlinear shallow water equations, which involve three coupled partial differential equations. We release our artificial intelligence surrogates and scientific software to produce initial data and boundary conditions to study a broad range of physically motivated scenarios. We provide the source code, an interactive website to visualize the predictions of our physics informed neural operators, and a tutorial for their use at the Data and Learning Hub for Science.

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.

反转技术被广泛用于重建基于表面的地球物理测量值（例如，地震，电气/磁（EM）数据）的地下物理特性（例如，速度，电导率）。这些问题受波浪或麦克斯韦方程等部分微分方程（PDE）的控制。解决地球物理反演问题由于不适当和高计算成本而具有挑战性。为了减轻这些问题，最近的研究利用深层神经网络来学习从测量到物业的倒置映射。在本文中，我们表明，这样的映射可以通过仅有五层的非常浅（但不是宽）网络来很好地建模。这是基于我们对有趣属性的新发现来实现的：在高维空间中应用积分变换后，输入和输出之间的近乎线性关系。特别是，在处理由波方程控制的从地震数据到地下速度的反演时，与高斯核的速度的积分结果与正弦核的地震数据的积分线性相关。此外，该属性可以轻松地转变为用于反转的轻质编码器网络。编码器包含地震数据和线性转换的整合，而无需进行微调。解码器仅由一个单个变压器块组成，以逆转速度的积分。实验表明，这种有趣的属性可用于四个不同数据集的两个地球物理倒置问题。与更深的倒置网络相比，我们的方法达到了可比的精度，但消耗的参数大大减少。

Despite great progress in simulating multiphysics problems using the numerical discretization of partial differential equations (PDEs), one still cannot seamlessly incorporate noisy data into existing algorithms, mesh generation remains complex, and high-dimensional problems governed by parameterized PDEs cannot be tackled. Moreover, solving inverse problems with hidden physics is often prohibitively expensive and requires different formulations and elaborate computer codes. Machine learning has emerged as a promising alternative, but training deep neural networks requires big data, not always available for scientific problems. Instead, such networks can be trained from additional information obtained by enforcing the physical laws (for example, at random points in the continuous space-time domain). Such physics-informed learning integrates (noisy) data and mathematical models, and implements them through neural networks or other kernel-based regression networks. Moreover, it may be possible to design specialized network architectures that automatically satisfy some of the physical invariants for better accuracy, faster training and improved generalization. Here, we review some of the prevailing trends in embedding physics into machine learning, present some of the current capabilities and limitations and discuss diverse applications of physics-informed learning both for forward and inverse problems, including discovering hidden physics and tackling high-dimensional problems.

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。

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。

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。

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。

Given the increasingly intricate forms of partial differential equations (PDEs) in physics and related fields, computationally solving PDEs without analytic solutions inevitably suffers from the trade-off between accuracy and efficiency. Recent advances in neural operators, a kind of mesh-independent neural-network-based PDE solvers, have suggested the dawn of overcoming this challenge. In this emerging direction, Koopman neural operator (KNO) is a representative demonstration and outperforms other state-of-the-art alternatives in terms of accuracy and efficiency. Here we present KoopmanLab, a self-contained and user-friendly PyTorch module of the Koopman neural operator family for solving partial differential equations. Beyond the original version of KNO, we develop multiple new variants of KNO based on different neural network architectures to improve the general applicability of our module. These variants are validated by mesh-independent and long-term prediction experiments implemented on representative PDEs (e.g., the Navier-Stokes equation and the Bateman-Burgers equation) and ERA5 (i.e., one of the largest high-resolution data sets of global-scale climate fields). These demonstrations suggest the potential of KoopmanLab to be considered in diverse applications of partial differential equations.