Multi-fidelity information fusion with concatenated neural networks

Recently, computational modeling has shifted towards the use of statistical inference, deep learning, and other data-driven modeling frameworks. Although this shift in modeling holds promise in many applications like design optimization and real-time control by lowering the computational burden, training deep learning models needs a huge amount of data. This big data is not always available for scientific problems and leads to poorly generalizable data-driven models. This gap can be furnished by leveraging information from physics-based models. Exploiting prior knowledge about the problem at hand, this study puts forth a physics-guided machine learning (PGML) approach to build more tailored, effective, and efficient surrogate models. For our analysis, without losing its generalizability and modularity, we focus on the development of predictive models for laminar and turbulent boundary layer flows. In particular, we combine the self-similarity solution and power-law velocity profile (low-fidelity models) with the noisy data obtained either from experiments or computational fluid dynamics simulations (high-fidelity models) through a concatenated neural network. We illustrate how the knowledge from these simplified models results in reducing uncertainties associated with deep learning models applied to boundary layer flow prediction problems. The proposed multi-fidelity information fusion framework produces physically consistent models that attempt to achieve better generalization than data-driven models obtained purely based on data. While we demonstrate our framework for a problem relevant to fluid mechanics, its workflow and principles can be adopted for many scientific problems where empirical, analytical, or simplified models are prevalent. In line with grand demands in novel PGML principles, this work builds a bridge between extensive physics-based theories and data-driven modeling paradigms and paves the way for using hybrid physics and machine learning modeling approaches for next-generation digital twin technologies.publishedVersio

AI alignment and generalization in deep learning

This thesis covers a number of works in deep learning aimed at understanding and improving generalization abilities of deep neural networks (DNNs). DNNs achieve unrivaled performance in a growing range of tasks and domains, yet their behavior during learning and deployment remains poorly understood. They can also be surprisingly brittle: in-distribution generalization can be a poor predictor of behavior or performance under distributional shifts, which typically cannot be avoided in practice. While these limitations are not unique to DNNs -- and indeed are likely to be challenges facing any AI systems of sufficient complexity -- the prevalence and power of DNNs makes them particularly worthy of study. I frame these challenges within the broader context of "AI Alignment": a nascent field focused on ensuring that AI systems behave in accordance with their user's intentions. While making AI systems more intelligent or capable can help make them more aligned, it is neither necessary nor sufficient for alignment. However, being able to align state-of-the-art AI systems (e.g. DNNs) is of great social importance in order to avoid undesirable and unsafe behavior from advanced AI systems. Without progress in AI Alignment, advanced AI systems might pursue objectives at odds with human survival, posing an existential risk (``x-risk'') to humanity. A core tenet of this thesis is that the achieving high performance on machine learning benchmarks if often a good indicator of AI systems' capabilities, but not their alignment. This is because AI systems often achieve high performance in unexpected ways that reveal the limitations of our performance metrics, and more generally, our techniques for specifying our intentions. Learning about human intentions using DNNs shows some promise, but DNNs are still prone to learning to solve tasks using concepts of "features" very different from those which are salient to humans. Indeed, this is a major source of their poor generalization on out-of-distribution data. By better understanding the successes and failures of DNN generalization and current methods of specifying our intentions, we aim to make progress towards deep-learning based AI systems that are able to understand users' intentions and act accordingly.Cette thèse discute quelques travaux en apprentissage profond visant à comprendre et à améliorer les capacités de généralisation des réseaux de neurones profonds (DNN). Les DNNs atteignent des performances inégalées dans un éventail croissant de tâches et de domaines, mais leur comportement pendant l'apprentissage et le déploiement reste mal compris. Ils peuvent également être étonnamment fragiles: la généralisation dans la distribution peut être un mauvais prédicteur du comportement ou de la performance lors de changements de distribution, ce qui ne peut généralement pas être évité dans la pratique. Bien que ces limitations ne soient pas propres aux DNN - et sont en effet susceptibles de constituer des défis pour tout système d'IA suffisamment complexe - la prévalence et la puissance des DNN les rendent particulièrement dignes d'étude. J'encadre ces défis dans le contexte plus large de «l'alignement de l'IA»: un domaine naissant axé sur la garantie que les systèmes d'IA se comportent conformément aux intentions de leurs utilisateurs. Bien que rendre les systèmes d'IA plus intelligents ou capables puisse aider à les rendre plus alignés, cela n'est ni nécessaire ni suffisant pour l'alignement. Cependant, être capable d'aligner les systèmes d'IA de pointe (par exemple les DNN) est d'une grande importance sociale afin d'éviter les comportements indésirables et dangereux des systèmes d'IA avancés. Sans progrès dans l'alignement de l'IA, les systèmes d'IA avancés pourraient poursuivre des objectifs contraires à la survie humaine, posant un risque existentiel («x-risque») pour l'humanité. L'un des principes fondamentaux de cette thèse est que l'obtention de hautes performances sur les repères d'apprentissage automatique est souvent un bon indicateur des capacités des systèmes d'IA, mais pas de leur alignement. En effet, les systèmes d'IA atteignent souvent des performances élevées de manière inattendue, ce qui révèle les limites de nos mesures de performance et, plus généralement, de nos techniques pour spécifier nos intentions. L'apprentissage des intentions humaines à l'aide des DNN est quelque peu prometteur, mais les DNN sont toujours enclins à apprendre à résoudre des tâches en utilisant des concepts de «caractéristiques» très différents de ceux qui sont saillants pour les humains. En effet, c'est une source majeure de leur mauvaise généralisation sur les données hors distribution. En comprenant mieux les succès et les échecs de la généralisation DNN et les méthodes actuelles de spécification de nos intentions, nous visons à progresser vers des systèmes d'IA basés sur l'apprentissage en profondeur qui sont capables de comprendre les intentions des utilisateurs et d'agir en conséquence