Modeling complex physical dynamics is a fundamental task in science and engineering. Traditional physics-based models are sample efficient, interpretable but often rely on rigid assumptions. Furthermore, direct numerical approximation is usually computationally intensive, requiring significant computational resources and expertise. While deep learning (DL) provides novel alternatives for efficiently recognizing complex patterns and emulating nonlinear dynamics, its predictions do not necessarily obey the governing laws of physical systems, nor do they generalize well across different systems. Thus, the study of physics-guided DL emerged and has gained great progress. Physics-guided DL aims to take the best from both physics-based modeling and state-of-the-art DL models to better solve scientific problems. In this paper, we provide a structured overview of existing methodologies of integrating prior physical knowledge or physics-based modeling into DL, with a special emphasis on learning dynamical systems. We also discuss the fundamental challenges and emerging opportunities in the area.


翻译:以物理为基础的传统模型具有抽样效率、可解释性,但往往依赖僵硬的假设。此外,直接数字近似通常在计算上十分密集,需要大量的计算资源和专门知识。深层次的学习(DL)为有效认识复杂模式和模拟非线性动态提供了新的替代方法,但其预测并不一定符合物理系统的管理法则,也不在不同系统中广泛推广。因此,物理指导的DL研究已经出现并取得了巨大进展。物理指导的DL旨在从物理学模型和最新水平的DL模型中获取最佳成果,以便更好地解决科学问题。在本文中,我们对将先前的物理知识或基于物理的模型纳入DL的现有方法进行了有条理的概述,特别强调学习动态系统。我们还讨论了该领域的基本挑战和新出现的机会。

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