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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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新智元报道


谷歌的AI数学家,登上Science了!


论文里的主角,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,足足悬了56年。

Science同期配发的评论,干脆就叫「研究数学的AI已经到来」。


在这里,数学家提出猜想,AI自己找思路、写证明。它还能为优化算法找出新的参数设置,并证明为什么这样设有效。

这些新证明公开后,数学家又能接着简化、改进,继续做研究。

创造新知识这件事,人类开始和AI一起做了。


56年的难题,终于解开了

先来看那两道悬了56年的老题。

它们是埃尔德什问题库第12号中的两个子问题,由埃尔德什和Sárközy在1970年提出。

此后,Schoen、Baier、Elsholtz等数学家接力研究,取得过不少进展,但这两问的完整证明,迟迟没有出现。

这两问,都围绕同一条选数规则展开——

挑出一些整数,其中任意一个数,都不能整除另外两个更大的数之和。比如2、3、5就不能同时选,因为3+5=8,能被2整除。

第一问要求,选出的数要有无限多个;并且当N足够大时,从1到N里选出的数量,要始终不少于常数倍的√N。

这里的难点是,要避开整除关系,就得限制选数;可限制越多,剩下的数就越少。



Nexus的做法是, 先按不同的数值区间分组选数,再分别处理组间和组内的关系。

对于不同组的数,它用中国剩余定理安排余数;在每组内部,则排除1、3、5这类三项等差结构。这样,选出的数就能避开题目禁止的整除关系。

比如,让当前这组数都被某个奇质数整除,后面的数除以它都余1。这样,两个更大的数只要至少有一个来自后面的组,它们的和就会余1或余2,不可能被当前组里的数整除。

接下来还得保证数量。

对此,Nexus会按照下一组起点对应的数量要求,提前选够当前组的数。

这样,即使N进入两组之间的空档,暂时没有新数加入,已经选出的数量也足够撑到下一组开始。

把这些组接起来,就得到了第一问要找的无限集合。


第二问则想知道,符合这条规则的数,最多能选出多少。

原来的猜想认为,可以找到一个小于1的固定指数,给所有这类集合划出数量上限,比如N的0.9次方或0.99次方。

AI的反例表明,无论把指数定得多接近1,只要仍小于1,就能构造出最终一直超过这条线的集合。

至此,第12号问题的前两问,一正一反,都解决了!

这类成果,Nexus一共拿下9项。

第12号问题的证明公开后,陶哲轩发现,前面那道「排除三项等差结构」的限制,其实可以删掉。

少了这道限制,构造就能简化。其他数学家也接着改进方案,让符合条件的数选得更多。

这样一来,AI给出的证明,就成了同行可以继续做研究的起点。


陶哲轩在第12号问题讨论区指出,题目已有的条件就能排除2a=b+c,因此不必额外限制三项等差结构

解题的关键,藏在循环里

从找到解题思路,到交出数学家能接着使用的完整证明,Nexus靠的是Gemini和证明工具的一轮轮配合。


论文中的完整Nexus架构:证明生成、验证、草稿评估与搜索

在完整版的设计中,系统会让多个证明Agent共享草稿,由评审Agent比较哪份更清楚、更合理、更有新意,再决定优先沿哪条路线继续。

有的草稿虽然还没证完,却已经找到了关键构造,只差最后一个引理。于是,系统可以把更多计算用在这条有希望的路线上,接着补完。

遇到具体的子目标,Gemini还可以调用AlphaProof。大模型负责组织论证、选择怎么拆题,专门的证明器负责解决拆出来的步骤。

已经解决的子目标还会被缓存。因此,完全相同的目标再次出现时,系统能直接取回证明,接着往下做。


论文中的第125号题解题过程:Gemini拆分目标,再调用AlphaProof完成局部证明

那么问题来了,解出这些难题,到底有多依赖上面这套复杂流程?为此,团队又做了一组对照测试。

他们去掉共享草稿的进化搜索,也不调用AlphaProof,只保留Gemini 3.1 Pro与Lean的基本配合。

结果,拿那9道已经解出的埃尔德什问题重新测试,基础版经过多次独立尝试,也全部找到了证明。

相比之下,单独运行AlphaProof,在同一组测试里一道也没解出。

也就是说,至少在这9道题上,通用大模型配合证明工具,已经能找到研究级的证明了。

从证明猜想,到改进算法

除了埃尔德什问题,Nexus还尝试了整数序列在线百科OEIS中的492项猜想,为其中44项补上了证明。

研究人员经过人工核查,确认代码准确表达了原题,相关猜想此前也尚未被证明。

比如,从1到n里至少挑出一个整数,平均数恰好为整数的选法有多少种?数学家已经猜到n足够大时,这个数量会按什么公式增长,Nexus补上了严格证明。

为减少题意在转换时走样,系统会先检查数列定义能否算出正确的前几项,再证明一般结论。


在这些数列问题里,AI要做的是给已有猜想补上证明。

到了优化理论,任务又多了一步:它还得找出算法参数该怎么设。

Anchored GDA处理的是这样一类问题。双方各自调整自己的变量,一方想把同一个目标值压低,另一方想把它抬高。

如果双方只顾着沿各自的方向调整,就可能来回震荡,迟迟找不到均衡。

因此,Anchored GDA在每次更新时,会额外加上一项朝固定起点回拉的修正,帮助稳定整个过程。

但每步走多远、修正多强,都会影响收敛速度。于是,研究者把参数怎么设也交给AI,让它连同证明一起找。


这项算法成果已于4月单独发表预印本,给出新的参数安排和收敛证明

AI最终找到了一套新的参数设置,并证明:在论文规定的光滑、凸—凹等条件下,衡量收敛程度的「梯度范数平方」,可以达到O(1/t)的收敛保证。

t就是迭代次数。这里的O(1/t),表示这个指标的上界可以按迭代次数的倒数缩小。

此前悬而未决的,正是这种算法能否达到这一收敛速度。如今,严格证明有了。

至此,AI能做的事也多了一项:参与设计计算方法,并证明它为什么管用。

人类创造知识的方式,开始变了

论文发表后,DeepMind的Pushmeet Kohli再次强调,推动数学进步,要让数学家做得更多。


想想看,如果这样的合作成为日常,一个数学家就能同时试更多想法。过去没精力细追的思路,如今也有机会一条条验下去。

而AI找到的新方法,还有可能被用来改进研究工具。工具更好,人和AI就有机会更快找到下一批答案。

一旦这样的发现接连出现,人类探索未知的速度,就有机会迎来一次大提速。

参考资料:

//x.com/pushmeet/status/2108265638435119494

//www.science.org/doi/10.1126/science.aej2213

//www.science.org/doi/10.1126/science.ael6628

编辑:摩西

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