Discovering hidden partial differential equations (PDEs) and operators from data is an important topic at the frontier between machine learning and numerical analysis. This doctoral thesis introduces theoretical results and deep learning algorithms to learn Green's functions associated with linear partial differential equations and rigorously justify PDE learning techniques. A theoretically rigorous algorithm is derived to obtain a learning rate, which characterizes the amount of training data needed to approximately learn Green's functions associated with elliptic PDEs. The construction connects the fields of PDE learning and numerical linear algebra by extending the randomized singular value decomposition to non-standard Gaussian vectors and Hilbert--Schmidt operators, and exploiting the low-rank hierarchical structure of Green's functions using hierarchical matrices. Rational neural networks (NNs) are introduced and consist of neural networks with trainable rational activation functions. The highly compositional structure of these networks, combined with rational approximation theory, implies that rational functions have higher approximation power than standard activation functions. In addition, rational NNs may have poles and take arbitrarily large values, which is ideal for approximating functions with singularities such as Green's functions. Finally, theoretical results on Green's functions and rational NNs are combined to design a human-understandable deep learning method for discovering Green's functions from data. This approach complements state-of-the-art PDE learning techniques, as a wide range of physics can be captured from the learned Green's functions such as dominant modes, symmetries, and singularity locations.


翻译:隐藏部分差异方程式( PDEs) 和操作员从数据中发现隐藏部分差异方程式( PDEs) 和操作员是机器学习和数字分析的前沿的一个重要主题。 博士论文介绍了理论结果和深层次学习算法, 以学习绿色函数与线性部分差异方程式相关联的理论和深层次学习算法, 并严格论证PDE学习技巧。 理论上严格的算法是获得学习率的严格算法, 其特征是大约学习绿色与椭圆PDE相关联的功能所需的大量培训数据。 建筑将PDE学习和数字线性直线性代数领域连接在一起, 将随机特异值分解到非标准高山矢量矢量矢量矢量矢量矢量矢量矢量矢量矢量矢量矢量矢量矢量矢量矢量, 利用绿色的低层次阶位函数来学习Greenal Enalality 函数, 其理想的绿色深度定义网络网络网络网络网络网络和神经网络的高度构造结构结构结构结构, 也就是绿色深度学习模式,, 绿色理论的理论的深度学习, 等绿色理论的理论的理论学习, 的理论的理论的原理是绿色理论的理论,, 的理论的理论的理论的理论的理论的理论, 的理论的理论的理论的理论的理论的理论的理论的理论的理论的理论的理论的理论的理论的理论的理论的理论的理论, 。

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