The accurate numerical solution of partial differential equations is a central task in numerical analysis allowing to model a wide range of natural phenomena by employing specialized solvers depending on the scenario of application. Here, we develop a variational approach for solving partial differential equations governing the evolution of high dimensional probability distributions. Our approach naturally works on the unbounded continuous domain and encodes the full probability density function through its variational parameters, which are adapted dynamically during the evolution to optimally reflect the dynamics of the density. For the considered benchmark cases we observe excellent agreement with numerical solutions as well as analytical solutions in regimes inaccessible to traditional computational approaches.

在高维度中整合时间依赖性的fokker-planck方程的选择方法是通过集成相关的随机微分方程来生成溶液中的样品。在这里，我们介绍了基于整合描述概率流的普通微分方程的替代方案。与随机动力学不同，该方程式在以后的任何时候都会从初始密度将样品从溶液中的样品推到样品。该方法具有直接访问数量的优势，这些数量挑战仅估算仅给定解决方案的样品，例如概率电流，密度本身及其熵。概率流程方程取决于溶液对数的梯度（其“得分”），因此A-Priori未知也是如此。为了解决这种依赖性，我们用一个深神网络对分数进行建模，该网络通过根据瞬时概率电流传播一组粒子来实现，该网络可以在直接学习中学习。我们的方法是基于基于得分的生成建模的最新进展，其重要区别是训练程序是独立的，并且不需要来自目标密度的样本才能事先可用。为了证明该方法的有效性，我们考虑了相互作用粒子系统物理学的几个示例。我们发现该方法可以很好地缩放到高维系统，并准确匹配可用的分析解决方案和通过蒙特卡洛计算的力矩。

在工程和科学方面的许多计算问题中，功能或模型差异化是必不可少的，但还需要集成。一类重要的计算问题包括所谓的内形差异方程，包括函数的积分和衍生物。在另一个示例中，随机微分方程可以用随机变量的概率密度函数的部分微分方程编写。要根据密度函数学习随机变量的特征，需要计算特定的积分变换，即密度函数的特定矩。最近，物理知识神经网络的机器学习范式以越来越多的流行度作为一种通过利用自动分化来求解微分方程的方法。在这项工作中，我们建议通过自动集成来扩大物理知识的神经网络的范式，以计算训练有素的解决方案上的复杂积分转换，并求解在训练过程中在训练过程中计算积分的整数差异方程。此外，我们在各种应用程序设置中展示了这些技术，从数值模拟了基于量子计算机的神经网络以及经典的神经网络。

Normalizing flows provide a general mechanism for defining expressive probability distributions, only requiring the specification of a (usually simple) base distribution and a series of bijective transformations. There has been much recent work on normalizing flows, ranging from improving their expressive power to expanding their application. We believe the field has now matured and is in need of a unified perspective. In this review, we attempt to provide such a perspective by describing flows through the lens of probabilistic modeling and inference. We place special emphasis on the fundamental principles of flow design, and discuss foundational topics such as expressive power and computational trade-offs. We also broaden the conceptual framing of flows by relating them to more general probability transformations. Lastly, we summarize the use of flows for tasks such as generative modeling, approximate inference, and supervised learning.

我们确定有效的随机微分方程（SDE），用于基于精细的粒子或基于试剂的模拟的粗糙观察结果；然后，这些SDE提供了精细规模动力学的有用的粗替代模型。我们通过神经网络近似这些有效的SDE中的漂移和扩散率函数，可以将其视为有效的随机分解。损失函数的灵感来自于已建立的随机数值集成剂的结构（在这里，欧拉 - 玛鲁山和米尔斯坦）；因此，我们的近似值可以受益于这些基本数值方案的向后误差分析。当近似粗的模型（例如平均场方程）可用时，它们还自然而然地适合“物理信息”的灰色盒识别。 Langevin型方程和随机部分微分方程（SPDE）的现有数值集成方案也可以用于训练；我们在随机强迫振荡器和随机波方程式上证明了这一点。我们的方法不需要长时间的轨迹，可以在散落的快照数据上工作，并且旨在自然处理每个快照的不同时间步骤。我们考虑了预先知道粗糙的集体观察物以及必须以数据驱动方式找到它们的情况。

The purpose of this paper is to explore the use of deep learning for the solution of the nonlinear filtering problem. This is achieved by solving the Zakai equation by a deep splitting method, previously developed for approximate solution of (stochastic) partial differential equations. This is combined with an energy-based model for the approximation of functions by a deep neural network. This results in a computationally fast filter that takes observations as input and that does not require re-training when new observations are received. The method is tested on four examples, two linear in one and twenty dimensions and two nonlinear in one dimension. The method shows promising performance when benchmarked against the Kalman filter and the bootstrap particle filter.

量子哈密顿学习和量子吉布斯采样的双重任务与物理和化学中的许多重要问题有关。在低温方案中，这些任务的算法通常会遭受施状能力，例如因样本或时间复杂性差而遭受。为了解决此类韧性，我们将量子自然梯度下降的概括引入了参数化的混合状态，并提供了稳健的一阶近似算法，即量子 - 固定镜下降。我们使用信息几何学和量子计量学的工具证明了双重任务的数据样本效率，因此首次将经典Fisher效率的开创性结果推广到变异量子算法。我们的方法扩展了以前样品有效的技术，以允许模型选择的灵活性，包括基于量子汉密尔顿的量子模型，包括基于量子的模型，这些模型可能会规避棘手的时间复杂性。我们的一阶算法是使用经典镜下降二元性的新型量子概括得出的。两种结果都需要特殊的度量选择，即Bogoliubov-Kubo-Mori度量。为了从数值上测试我们提出的算法，我们将它们的性能与现有基准进行了关于横向场ISING模型的量子Gibbs采样任务的现有基准。最后，我们提出了一种初始化策略，利用几何局部性来建模状态的序列（例如量子 - 故事过程）的序列。我们从经验上证明了它在实际和想象的时间演化的经验上，同时定义了更广泛的潜在应用。

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.

在本章中，我们确定了基本的几何结构，这些几何结构是采样，优化，推理和自适应决策问题的基础。基于此识别，我们得出了利用这些几何结构来有效解决这些问题的算法。我们表明，在这些领域中自然出现了广泛的几何理论，范围从测量过程，信息差异，泊松几何和几何整合。具体而言，我们解释了（i）如何利用汉密尔顿系统的符合性几何形状，使我们能够构建（加速）采样和优化方法，（ii）希尔伯特亚空间和Stein操作员的理论提供了一种通用方法来获得可靠的估计器，（iii）（iii）（iii）保留决策的信息几何形状会产生执行主动推理的自适应剂。在整个过程中，我们强调了这些领域之间的丰富联系。例如，推论借鉴了抽样和优化，并且自适应决策通过推断其反事实后果来评估决策。我们的博览会提供了基本思想的概念概述，而不是技术讨论，可以在本文中的参考文献中找到。

非线性部分差分差异方程成功地用于描述自然科学，工程甚至金融中的广泛时间依赖性现象。例如，在物理系统中，Allen-Cahn方程描述了与相变相关的模式形成。相反，在金融中，黑色 - choles方程描述了衍生投资工具价格的演变。这种现代应用通常需要在经典方法无效的高维度中求解这些方程。最近，E，Han和Jentzen [1] [2]引入了一种有趣的新方法。主要思想是构建一个深网，该网络是根据科尔莫戈罗夫方程式下离散的随机微分方程样本进行训练的。该网络至少能够在数值上近似，在整个空间域中具有多项式复杂性的Kolmogorov方程的解。在这一贡献中，我们通过使用随机微分方程的不同离散方案来研究深网的变体。我们在基准的示例上比较了相关网络的性能，并表明，对于某些离散方案，可以改善准确性，而不会影响观察到的计算复杂性。

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。

Harmonic functions are abundant in nature, appearing in limiting cases of Maxwell's, Navier-Stokes equations, the heat and the wave equation. Consequently, there are many applications of harmonic functions, spanning applications from industrial process optimisation to robotic path planning and the calculation of first exit times of random walks. Despite their ubiquity and relevance, there have been few attempts to develop effective means of representing harmonic functions in the context of machine learning architectures, either in machine learning on classical computers, or in the nascent field of quantum machine learning. Architectures which impose or encourage an inductive bias towards harmonic functions would facilitate data-driven modelling and the solution of inverse problems in a range of applications. For classical neural networks, it has already been established how leveraging inductive biases can in general lead to improved performance of learning algorithms. The introduction of such inductive biases within a quantum machine learning setting is instead still in its nascent stages. In this work, we derive exactly-harmonic (conventional- and quantum-) neural networks in two dimensions for simply-connected domains by leveraging the characteristics of holomorphic complex functions. We then demonstrate how these can be approximately extended to multiply-connected two-dimensional domains using techniques inspired by domain decomposition in physics-informed neural networks. We further provide architectures and training protocols to effectively impose approximately harmonic constraints in three dimensions and higher, and as a corollary we report divergence-free network architectures in arbitrary dimensions. Our approaches are demonstrated with applications to heat transfer, electrostatics and robot navigation, with comparisons to physics-informed neural networks included.

从非正规化概率分布的抽样是机器学习中的基本问题，包括贝叶斯建模，潜在因子推断和基于能源的模型训练。在几十年的研究之后，尽管收敛缓慢，但MCMC的变化仍然是抽样的默认方法。辅助神经模型可以学习加速MCMC，但训练额外模型的开销可能是禁止的。我们通过具有非牛顿势头的新的汉密尔顿动态提出了对这个问题的根本不同的方法。与MCMC蒙特卡洛等MCMC接近相比，不需要随机步骤。相反，在扩展状态空间中提出的确定性动态精确地对能量函数指定的目标分布，在ergodicity的假设下。或者，可以将动态解释为在没有训练的情况下对指定的能量模型进行采样的标准化流程。所提出的能量采样哈密尔顿（ESH）动态有一个简单的形式，可以用现有的颂歌解决，但我们推出了一个专业的求解器，它表现出更好的性能。 ESH Dynamics会收敛于其MCMC竞争对手的速度更快，更稳定地培训神经网络能量模型。

蒙特卡洛方法和深度学习的组合最近导致了在高维度中求解部分微分方程（PDE）的有效算法。相关的学习问题通常被称为基于相关随机微分方程（SDE）的变异公式，可以使用基于梯度的优化方法最小化相应损失。因此，在各自的数值实现中，至关重要的是要依靠足够的梯度估计器，这些梯度估计器表现出较低的差异，以便准确，迅速地达到收敛性。在本文中，我们严格研究了在线性Kolmogorov PDE的上下文中出现的相应数值方面。特别是，我们系统地比较了现有的深度学习方法，并为其表演提供了理论解释。随后，我们建议的新方法在理论上和数字上都可以证明更健壮，从而导致了实质性的改进。

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。

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.

这项正在进行的工作旨在为统计学习提供统一的介绍，从诸如GMM和HMM等经典模型到现代神经网络（如VAE和扩散模型）缓慢地构建。如今，有许多互联网资源可以孤立地解释这一点或新的机器学习算法，但是它们并没有（也不能在如此简短的空间中）将这些算法彼此连接起来，或者与统计模型的经典文献相连现代算法出现了。同样明显缺乏的是一个单一的符号系统，尽管对那些已经熟悉材料的人（如这些帖子的作者）不满意，但对新手的入境造成了重大障碍。同样，我的目的是将各种模型（尽可能）吸收到一个用于推理和学习的框架上，表明（以及为什么）如何以最小的变化将一个模型更改为另一个模型（其中一些是新颖的，另一些是文献中的）。某些背景当然是必要的。我以为读者熟悉基本的多变量计算，概率和统计以及线性代数。这本书的目标当然不是​​完整性，而是从基本知识到过去十年中极强大的新模型的直线路径或多或少。然后，目标是补充而不是替换，诸如Bishop的\ emph {模式识别和机器学习}之类的综合文本，该文本现在已经15岁了。

In this paper, we introduce four main novelties: First, we present a new way of handling the topology problem of normalizing flows. Second, we describe a technique to enforce certain classes of boundary conditions onto normalizing flows. Third, we introduce the I-Spline bijection, which, similar to previous work, leverages splines but, in contrast to those works, can be made arbitrarily often differentiable. And finally, we use these techniques to create Waveflow, an Ansatz for the one-space-dimensional multi-particle fermionic wave functions in real space based on normalizing flows, that can be efficiently trained with Variational Quantum Monte Carlo without the need for MCMC nor estimation of a normalization constant. To enforce the necessary anti-symmetry of fermionic wave functions, we train the normalizing flow only on the fundamental domain of the permutation group, which effectively reduces it to a boundary value problem.

本文介绍了一种基于Krnet（ADDA-KR）的自适应深度近似策略，用于求解稳态Fokker-Planck（F-P）方程。 F-P方程通常是高维度和在无限域上定义的，这限制了基于传统网格的数值方法的应用。通过Knothe-Rosenblatt重新排列，我们的新提出的基于流的生成模型称为KrNet，提供了一种概率密度函数的家族，以作为Fokker-Planck方程的有效解决方案候选者，这与传统的计算方法较弱的维度依赖性较弱并且可以有效地估计一般的高维密度函数。为了获得用于F-P方程的近似的有效随机搭配点，我们开发了一种自适应采样过程，其中使用每次迭代的近似密度函数来迭代地生成样本。我们介绍了ADDA-KR的一般框架，验证了其准确性并通过数值实验展示了其效率。

基于分数的生成模型（SGMS）已经证明了显着的合成质量。 SGMS依赖于扩散过程，逐渐将数据逐渐渗透到贸易分布，而生成式模型则学会去噪。除了数据分布本身，这种去噪任务的复杂性是由扩散过程独特地确定的。我们认为当前的SGMS采用过于简单的扩散，导致不必要的复杂的去噪流程，限制了生成的建模性能。根据与统计力学的联系，我们提出了一种新型危及阻尼Langevin扩散（CLD），并表明基于CLD的SGMS实现了优异的性能。 CLD可以被解释为在扩展空间中运行关节扩散，其中辅助变量可以被视为耦合到数据变量的“速度”，如Hamiltonian动态。我们推导了一种用于CLD的小说得分匹配目标，并表明该模型仅需要了解给定数据的速度分布的条件分布的得分函数，而不是直接学习数据的分数。我们还导出了一种新的采样方案，用于从基于CLD的扩散模型有效合成。我们发现CLD在类似的网络架构和采样计算预算中优于综合质量的先前SGM。我们展示我们的CLD的新型采样器显着优于欧拉 - 玛雅山等求解器。我们的框架为基于刻痕的去噪扩散模型提供了新的见解，并且可以随时用于高分辨率图像合成。项目页面和代码：https：//nv-tlabs.github.io/cld-sgm。