DeepMind AlphaProof Nexus:56年难题终获AI证明

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56年没解开的题,AI全解了!谷歌DeepMind新成果登上Science主刊

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DeepMind AlphaProof Nexus:56年难题终获AI证明(配图 1)

新智元报道  

DeepMind AlphaProof Nexus:56年难题终获AI证明(配图 2)


谷歌的AI数学家登上Science了。

DeepMind AlphaProof Nexus:56年难题终获AI证明(配图 3)

论文主角是DeepMind的AlphaProof Nexus。9项埃尔德什问题、44项整数序列猜想,它都给出了证明。

其中两道老题,悬了足足56年。

Science同期配发的评论,标题干脆就叫「研究数学的AI已经到来」。

DeepMind AlphaProof Nexus:56年难题终获AI证明(配图 4)

数学家在这里只负责提出猜想,剩下的找思路、写证明都由AI完成。优化算法的新参数设置也是它找出来的,还能说明这些设置为什么管用。

新证明一旦公开,数学家便可在此基础上继续简化、改进,把研究往下推。创造新知识这件事,如今成了人和AI共同在做的事。


DeepMind AlphaProof Nexus:56年难题终获AI证明(配图 5)


DeepMind AlphaProof Nexus:56年难题终获AI证明(配图 6)
那道悬了56年的难题,终于有了答案。

先说这两道已经悬了56年的老题。它们属于埃尔德什问题库第12号里的两个子问题,1970年由埃尔德什和Sárközy提出。



之后Schoen、Baier、Elsholtz等数学家接力做下去,进展拿过不少,可这两问的完整证明始终没等来。


两问其实都落在同一条选数规则上——

规则是这样的:从整数里挑出一批数,要求其中任何两个较大数相加,都不能被这批数里的另一个数整除。拿2、3、5来说,就不能三个一起选,因为3+5=8,8正好能被2整除。

第一个问题要的是无限多个数,并且N足够大之后,1到N这个范围里被选中的数量,不能低于某个常数乘以√N。

难就难在这里:想躲开整除关系,就得对选数加限制;限制一多,能留下的数自然变少。

DeepMind AlphaProof Nexus:56年难题终获AI证明(配图 7)
Nexus的思路是按数值区间把数分成若干组,一组一组地挑,组与组之间、组内部的关系分开处理。

组与组之间,它借助中国剩余定理来安排余数;落到每一组内部,则把1、3、5这种三项等差的结构排除掉。如此一来,选出的数就不会撞上题目禁止的整除关系。


举个例子,让当前这一组的数全都带某个奇质数因子,而它后面的数除以这个奇质数都余1。这样一来,两个更大的数里只要有一个来自后面的组,相加的结果就余1或者余2,当前组里的数除不尽它。

数量上的要求也得跟上。

Nexus的办法是,照着下一组起点所对应的数量要求,在进入下一组之前就把当前组的数选够。

就算N落在两组中间的空档、暂时没有新数补进来,已选出的数量也足以撑到下一组开始。

把这些组一段段接起来,第一问所要的那个无限集合就出来了。

DeepMind AlphaProof Nexus:56年难题终获AI证明(配图 8)

第二个问题问的是:按这条规则,最多能挑出多少个数。


原本的猜想是,总能找到一个小于1的固定指数,用它给这类集合定出数量上限,0.9次方也好,0.99次方也好。


AI构造的反例说明,指数哪怕定得再贴近1,只要还没到1,就能搭出一个集合,数量始终越过的就是这条线。

到这里,第12号问题的前两问,一个正命题、一个反命题,全都拿下了。

Nexus拿下的这类成果,加起来有9项。

第12号问题的证明公布之后,陶哲轩看出来,前面那条「排除三项等差结构」的限制,其实删掉也没关系。


限制一去,构造就变简单了。别的数学家也跟上来改方案,让符合条件的数能选得更多。

这么一来,AI给出的这份证明,就变成了同行能接着往下做的起点。

DeepMind AlphaProof Nexus:56年难题终获AI证明(配图 9)
陶哲轩在第12号问题的讨论区里说,题目本身已有的条件就足以排除2a=b+c,三项等差结构不必再单独加限制。


DeepMind AlphaProof Nexus:56年难题终获AI证明(配图 10)
突破口藏在循环结构里。


解题思路浮出水面之后,要把它变成数学家能直接接着用的完整证明,Nexus依靠的是Gemini和证明工具反复来回打磨。

DeepMind AlphaProof Nexus:56年难题终获AI证明(配图 11)
下图是论文里Nexus的完整架构,涵盖证明生成、验证、草稿评估和搜索几个环节。

按照完整版的设计,多个证明Agent可以共用草稿,评审Agent则负责比对哪一份写得更清楚、更站得住脚、更有新意,再据此决定先沿着哪条路线往下推。

有些草稿尽管尚未证完,关键的构造却已经拿到手,只差一个引理收尾。系统这时候就会把更多算力压到这条有希望的路线上,把剩下的部分补完。

碰上具体的子目标,Gemini还能把AlphaProof叫来帮忙。大模型管的是组织论证、判断怎么拆题,专门化的证明器则负责把拆出来的步骤一一解决。

已经攻克的子目标会被存进缓存。这样一来,同样的目标再出现,系统直接取回现成证明,继续往下走。

DeepMind AlphaProof Nexus:56年难题终获AI证明(配图 12)
下图展示论文中第125号题的求解过程:Gemini先把目标拆开,再调用AlphaProof完成局部证明。

那接下来的问题是,解出这些难题,究竟在多大程度上依赖上面这套复杂流程?团队为此专门做了一组对照测试。

测试中,他们把共享草稿的进化搜索拿掉,也不调用AlphaProof,只留下Gemini 3.1 Pro与Lean的基本配合。

随后,团队拿那9道已被解出的埃尔德什问题重做测试。基础版在多次独立尝试中同样全部给出了证明。

但同一组测试里,AlphaProof单独上阵,一道都没做出来。

换句话说,这9道题至少说明,通用大模型搭上证明工具,已经能拿出研究级别的证明。


DeepMind AlphaProof Nexus:56年难题终获AI证明(配图 13)
从证明猜想延伸到改进算法

埃尔德什问题之外,Nexus还对整数序列在线百科OEIS里的492项猜想做了尝试,其中44项被补上了证明。

研究人员做了人工核查,确认代码准确表达了原题,这些猜想此前也没有被证明过。

举个例子:从1到n中至少选出一个整数,使平均数恰好为整数,这样的选法有多少种?数学家早已推测,n足够大时该数量按某个公式增长,Nexus把严格证明补上了。

为了少让题意在转换环节走样,系统先看数列定义能不能算出正确的前几项,再去证明一般结论。

DeepMind AlphaProof Nexus:56年难题终获AI证明(配图 14)

面对这些数列难题,AI承担的工作是给现成的猜想补出证明。

转到优化理论这边,任务还多出一层:算法参数该取什么值,也得由它一并找出来。

Anchored GDA对付的是这一类情形——两边各调各的变量,一方要把同一个目标值往下压,另一方则要把它往上抬。


倘若双方都只顾沿着自己的方向调整,过程就可能反复震荡,均衡点迟迟落不下来。


为此,Anchored GDA在每一次更新中多引入一项修正,把变量朝固定的起点拉回去,让整个流程稳住。


不过,每步的步长、回拉的力度,都会左右收敛快慢。研究者索性把参数设定交给AI,让它和证明一块儿找。

DeepMind AlphaProof Nexus:56年难题终获AI证明(配图 15)
这套算法成果早在4月就以预印本形式单独发表,给出了新的参数安排与收敛证明。

AI最后找到了一组新的参数设置,并证明:在论文所规定的光滑、凸—凹等条件下,用来衡量收敛程度的「梯度范数平方」,能获得O(1/t)的收敛保证。


其中t指迭代次数。O(1/t)的意思是,该指标的上界能随迭代次数的倒数一同收窄。


此前一直没有定论的,正是这种算法究竟能否达到这样的收敛速度。现在,严格的证明已经给出。


这样一来,AI能干的活又添了一样:参与设计计算方法,并说明它为什么有效。


人类积累知识的路子,正在发生改变。

论文发布之后,DeepMind的Pushmeet Kohli又一次提到,要让数学往前走,得让数学家承担更多工作。


试想一下,这种协作如果变成常态,一名数学家就能并行尝试更多设想。以前没精力深挖的思路,现在可以一条一条去验证。


AI发现的新办法,还可能反过来用于升级研究工具。工具变强了,人和AI就有望更快找到下一批答案。


这类发现要是接连冒出来,人类摸清未知领域的节奏,或许会迎来一次大幅加快。


参考资料:

https://x.com/pushmeet/status/2108265638435119494
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aej2213
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ael6628
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