- عنوان کتاب: Deep Learning Methods of Mathematical Physics – Volume I Direct and Inverse Problems
- نویسنده: Ovidiu Calin
- حوزه: یادگیری عمیق
- سال انتشار: 2026
- تعداد صفحه: 553
- زبان اصلی: انگلیسی
- نوع فایل: pdf
- حجم فایل: 7.91 مگابایت
پیشرفت سریع هوش مصنوعی (AI) و یادگیری عمیق (DL) در حال تغییر شکل بسیاری از رشتههای علمی، از جمله فیزیک ریاضی – زمینهای که اساساً توسط معادلات دیفرانسیل اداره میشود – است. به طور سنتی، مسائل در فیزیک ریاضی از طریق تکنیکهای تحلیلی و حلکنندههای عددی که معادلات حاکم را ادغام میکنند، مورد بررسی قرار گرفتهاند. با این حال، با پیچیدهتر، غیرخطی یا آشوبناکتر شدن سیستمها، روشهای کلاسیک میتوانند برای ثبت کامل دینامیک یا استنباط مستقیم قوانین حاکم از دادهها، با مشکل مواجه شوند. یادگیری عمیق با ارائه جایگزینهای انعطافپذیر و مبتنی بر داده و فرمولهای مبتنی بر فیزیک که با رعایت ساختار دیفرانسیلی اساسی، به پیچیدگیهای بالا مقیاسپذیر هستند، این رویکردها را تکمیل میکند. سال 2024 به ویژه از این جهت اهمیت دارد که همزمان با اعطای جوایز نوبل فیزیک [90] و شیمی [89] به تحقیقاتی است که از روشهای یادگیری عمیق برای مقابله با مسائلی که برای دههها در برابر راهحل مقاومت میکردند، پیشگام بودهاند. این دستاوردهای بزرگ نشان میدهد که یادگیری عمیق دیگر فقط یک ابزار کامپیوتری نیست. این علم به بخش کلیدی علم مدرن تبدیل شده است و به محققان کمک میکند چیزهایی را کشف کنند که زمانی کشف آنها غیرممکن بود. این کتاب به بررسی نقش نوظهور یادگیری عمیق به عنوان یک ابزار محاسباتی در فیزیک ریاضی میپردازد. معماریهای عصبی مانند معادلات دیفرانسیل معمولی عصبی (ODEهای عصبی)، شبکههای عصبی مبتنی بر فیزیک (PINNها)، شبکههای عصبی همیلتونی (HNNها) و شبکههای عصبی لاگرانژی (LNNها) امکان کدگذاری مستقیم اصول فیزیکی را در مدلهای یادگیری فراهم میکنند. روشهای یادگیری عمیق نه تنها به مسائل مستقیم – که به طور سنتی با استفاده از تکنیکهای تحلیلی یا شبیهسازیهای عددی حل میشوند – میپردازند، بلکه راههای جدیدی را برای حل مسائل معکوس نیز باز میکنند. آنها امکان استنتاج پارامترهای سیستم، قوانین پایستگی و حتی معادلات حاکم اساسی را مستقیماً از دادههای تجربی یا شبیهسازی شده فراهم میکنند. یادگیری عمیق مزایای منحصر به فردی را برای مسائل مکانیک کلاسیک ارائه میدهد. معماریهای طراحی شده با بینشهای فیزیکی میتوانند قوانین پایستگی را اجرا کنند، شرایط مرزی پیچیده را مدیریت کنند و به سناریوهای دیده نشده تعمیم دهند. این ادغام فیزیک و یادگیری ماشین نه تنها قابلیتهای پیشبینی را بهبود میبخشد، بلکه راههایی را برای کشف مدلهای فیزیکی جدید مستقیماً از دادهها نیز باز میکند. این کتاب بر پیادهسازی عملی و مبانی نظری این روشها تأکید دارد. متن از طریق مثالها و مقایسههای متعدد، نشان میدهد که چگونه مدلهای یادگیری عمیق در رژیمهای خاص با حلکنندههای سنتی مقایسه میشوند، آنها را تکمیل میکنند یا از آنها پیشی میگیرند. بسیاری از مثالهای این کتاب شامل پیادهسازیهای Keras هستند که یا در متن گنجانده شدهاند یا به دفترچههای آنلاین Google Colab پیوند خوردهاند. این مثالها پروژههای کلاسی قوی ایجاد میکنند: خوانندگان میتوانند ورودیها و ابرپارامترها را تغییر دهند تا مشاهده کنند که خروجیها چگونه تغییر میکنند. در برخی موارد، توضیحات عمداً در سطح نظری نگه داشته شده و خواننده را به پیادهسازی کد مربوطه دعوت میکند. Keras در سراسر کتاب استفاده شده است زیرا به طور گسترده پذیرفته شده، به خوبی مستند شده و در اکوسیستم TensorFlow به خوبی پشتیبانی میشود. هر فصل با تمرینهای پایان فصل به پایان میرسد که چندین مورد از آنها به عنوان پروژههای درسی مناسب هستند و روشهای معرفی شده در آن فصل را تقویت میکنند. این کتاب نه یک کتاب مقدماتی در مورد یادگیری ماشین است و نه یک کتاب درسی فیزیک. این کتاب برای خوانندگانی در نظر گرفته شده است که از قبل با یادگیری عمیق آشنا هستند و میخواهند ببینند که چگونه میتوان معماریهای مدرن را برای مسائل فیزیک ریاضی به کار برد. این مطالب به صورت مجموعهای از مثالهای کار شده – از ساده تا چالش برانگیز – سازماندهی شدهاند که نشان میدهند یادگیری عمیق چه زمانی کمک میکند، چگونه آن را راهاندازی کرد و محدودیتهای عملی آن چیست. این کتاب دانشجویان سال آخر کارشناسی را هدف قرار میدهد، اما برای دانشجویان تحصیلات تکمیلی، محققان و شاغلین در رشتههای فیزیک، ریاضیات کاربردی، مهندسی و علوم کامپیوتر نیز مناسب است. خواننده ایدهآل کسی است که با مکانیک کلاسیک پایه، معادلات دیفرانسیل و مفاهیم مقدماتی یادگیری ماشین آشنا باشد. تجربه قبلی با پایتون، تنسورفلو یا کراس مفید است اما الزامی نیست؛ کتاب مثالها و راهنماییهای فراوانی برای پشتیبانی از پیادهسازی ارائه میدهد. این کتاب به سه بخش اصلی تقسیم شده است: بخش اول، ابتداییترین بخش است و مقدمهای بر شبکههای عصبی و کاربردهای آن در مسائل ریاضی است. بخش دوم بر استفاده از مدلهای یادگیری عمیق برای حل مسائل رو به جلو، از جمله معیارهای کلاسیک مانند نوسانگر هارمونیک، حرکت سیارهای و آونگ ساده، تمرکز دارد. عملکرد با روشهای عددی کلاسیک مقایسه میشود. بخش سوم به مسائل معکوس میپردازد و کشف پارامترهای سیستم، قوانین فیزیکی و قوانین پایستگی مبتنی بر داده را بررسی میکند.
The rapid progress of Artificial Intelligence (AI) and Deep Learning (DL) is reshaping many scientific disciplines, including Mathematical Physics–a field fundamentally governed by differential equations. Traditionally, problems in Mathematical Physics have been addressed through analytical techniques and numerical solvers that integrate the governing equations. As systems become more complex, nonlinear, or chaotic, however, classical methods can struggle to capture full dynamics or to infer governing laws directly from data. Deep Learning complements these approaches by providing flexible, data-driven surrogates and physics-informed formulations that scale to high complexity while respecting the underlying differential structure. The year 2024 is particularly significant because it coincides with the awarding of the Nobel Prizes in Physics [90] and Chemistry [89] to research that has made pioneering use of Deep Learning methods to tackle problems that had resisted solution for decades. These major achievements show that Deep Learning is no longer just a computer tool. It has become a key part of modern science, helping researchers discover things that were once impossible to uncover. This book explores the emerging role of Deep Learning as a computational tool in Mathematical Physics. Neural architectures such as Neural Ordinary Differential Equations (Neural ODEs), Physics-Informed Neural Networks (PINNs), Hamiltonian Neural Networks (HNNs), and Lagrangian Neural Networks (LNNs) allow the direct encoding of physical principles into learning models. Deep Learning methods not only address direct problems–traditionally solved using analytical techniques or numerical simulations–but also open new avenues for solving inverse problems. They enable the inference of system parameters, conservation laws, and even the underlying governing equations directly from experimental or simulated data. Deep Learning offers unique advantages for classical mechanics problems. Architectures designed with physical insights can enforce conservation laws, handle complex boundary conditions, and generalize to unseen scenarios. This integration of Physics and machine learning not only improves predictive capabilities but also opens avenues for discovering new physical models directly from data. This book emphasizes both the practical implementation and the theoretical underpinnings of these methods. Through numerous examples and comparisons, the text illustrates how Deep Learning models compare to, complement or surpass traditional solvers in certain regimes. Many examples in this book include Keras implementations, either embedded in the text or linked to online Google Colab notebooks. These examples make strong class projects: readers can modify inputs and hyperparameters to observe how the outputs change. In some cases, the exposition is intentionally kept at a theoretical level, inviting the reader to implement the corresponding code. Keras is used throughout because it is widely adopted, well documented, and well supported within the TensorFlow ecosystem. Each chapter concludes with end-of-chapter exercises, several of which are suitable as course projects and reinforce the methods introduced in that chapter. This book is neither a primer on machine learning nor a physics textbook. It is intended for readers already comfortable with Deep Learning who want to see how modern architectures can be applied to problems in Mathematical Physics. The material is organized as a collection of worked examples—ranging from simple to challenging— that illustrate when Deep Learning helps, how to set it up, and what its practical limits are. The book targets senior undergraduates but is also suitable for graduate students, researchers, and practitioners in Physics, Applied Mathematics, Engineering, and Computer Science. The ideal reader is familiar with basic Classical Mechanics, differential equations, and introductory machine learning concepts. Prior experience with Python, TensorFlow, or Keras is helpful but not required; the book provides ample examples and guidance to support implementation. The book is organized into three main parts: The first part is the most elementary and it is an introduction to neural networks and its applications to mathematics problems. The second part focuses on using Deep Learning models to solve forward problems, including classical benchmarks such as the harmonic oscillator, planetary motion, and the simple pendulum. Performance is compared with classical numerical methods. The third part deals with inverse problems, exploring data-driven discovery of system parameters, physical laws, and conservation laws.
این کتاب را میتوانید از لینک زیر بصورت رایگان دانلود کنید:
Download: Deep Learning Methods of Mathematical Physics – Volume I





نظرات کاربران