應用多保真度貝葉斯優化於化學領域：開放性挑戰與主要考量

Основные понятия

多保真度貝葉斯優化(MFBO)利用不同質量和成本的實驗和/或計算數據來有效地優化目標函數。這種方法對於化學發現特別有吸引力,因為MFBO能夠整合各種不同的數據來源。本文探討了將MFBO應用於加速有前景分子或材料的識別,並分析了在何種條件下低保真度數據可以提高性能,相比單一保真度問題的公式。我們解決了兩個關鍵挑戰:選擇最佳收購函數,以及理解成本和數據保真度相關性的影響。最後,我們討論如何評估MFBO在化學發現中的有效性。

Аннотация

本文探討了將多保真度貝葉斯優化(MFBO)應用於化學發現的挑戰和考量。

首先,我們比較了不同MFBO算法與單一保真度貝葉斯優化(SFBO)在四個不同問題上的性能,以確定問題公式對MFBO性能的影響。我們發現,MFBO並不總是優於SFBO,這與我們的預期不同。

為了進一步探討這一結果,我們研究了低保真度數據的成本和與高保真度數據的相關性對MFBO性能的影響。我們發現,只有在低保真度數據的成本低於高保真度數據的10到100倍,且相關性高於0.9時,MFBO才能持續優於SFBO。這一要求限制了MFBO在化學發現中的應用。

其次,我們探討了不同收購函數的使用。我們考慮了三種不同的收購函數,發現它們的性能取決於具體問題。這表明,收購函數應根據具體情況仔細選擇。

最後,我們提出了一個新的度量指標"每次高保真度評估的累積後悔"(CRHF),以更好地評估MFBO在化學發現中的性能。這一指標考慮了不僅找到全局最優,而且持續找到高性能候選的需求。

Статистика

化學空間中估計有1060個潛在的小分子可以合成。
RKHS函數的高低保真度數據相關性為0.88,相對成本為0.1。
6D負Hartmann函數的高低保真度數據相關性為0.76,相對成本為0.1。
COF數據集的高低保真度數據相關性為0.97,相對成本為0.2。
有機光伏分子數據集的高低保真度數據相關性為0.91,相對成本為0.1。

Цитаты

"多保真度貝葉斯優化(MFBO)利用不同質量和成本的實驗和/或計算數據來有效地優化目標函數。"
"只有在低保真度數據的成本低於高保真度數據的10到100倍,且相關性高於0.9時,MFBO才能持續優於SFBO。"
"收購函數應根據具體情況仔細選擇。"

Ключевые выводы из

Applying Multi-Fidelity Bayesian Optimization in Chemistry: Open Challenges and Major Considerations

by Edmund Judge... в arxiv.org 09-12-2024

https://arxiv.org/pdf/2409.07190.pdf

Дополнительные вопросы

如何在MFBO中更好地平衡探索和利用,以在化學發現中取得更好的性能?

在多忠誠度貝葉斯優化（MFBO）中，平衡探索（exploration）和利用（exploitation）是提高化學發現性能的關鍵。探索指的是在尚未充分評估的參數空間中尋找新候選者，而利用則是基於已有數據選擇最有可能產生最佳結果的候選者。為了更好地平衡這兩者，可以考慮以下幾個策略：

選擇合適的收購函數：不同的收購函數在探索和利用之間的權衡有所不同。例如，MF-MES（多忠誠度最大熵搜索）專注於最大化信息增益，這有助於探索新的區域，而MF-TVR（多忠誠度目標方差減少）則更注重利用已有數據。根據具體的化學問題特性，選擇最合適的收購函數可以顯著提高性能。

調整低忠誠度數據的使用：在MFBO中，低忠誠度數據的成本和準確性對性能有直接影響。當低忠誠度數據與高忠誠度數據之間的相關性較高時，利用這些數據進行探索可以降低成本並提高效率。因此，應該在設計實驗時考慮如何有效地使用低忠誠度數據。

動態調整探索與利用的比例：根據當前的優化進度和數據的獲取情況，動態調整探索和利用的比例。例如，在初期階段可以增加探索的比例，以便更全面地了解參數空間，而在接近最優解時則可以轉向更多的利用。

使用自適應策略：引入自適應機制，根據過去的優化結果自動調整探索和利用的策略。例如，當發現某些區域的性能不佳時，可以增加對其他區域的探索。

通過這些策略的綜合運用，可以在MFBO中更好地平衡探索和利用，從而在化學發現中取得更好的性能。

如何設計新的收購函數,以更好地適應化學問題的特點?

設計新的收購函數以適應化學問題的特點需要考慮以下幾個方面：

考慮數據的多樣性和複雜性：化學問題通常涉及高維度的數據和多種特徵（如結構特徵和組成特徵）。新的收購函數應能夠有效處理這些高維數據，並考慮不同特徵之間的相互作用。例如，可以設計一種收購函數，根據特徵之間的相關性動態調整探索和利用的權重。

整合物理知識：在化學領域，許多問題可以通過物理模型來描述。設計收購函數時，可以考慮將這些物理知識融入到模型中，以提高預測的準確性和可靠性。例如，使用物理啟發的貝葉斯優化（physics-informed Bayesian optimization）來設計收購函數，可以更好地捕捉化學系統的行為。

引入成本考量：在化學實驗中，不同的數據獲取方式具有不同的成本。新的收購函數應考慮到這些成本，並在選擇候選者時進行權衡。例如，可以設計一種收購函數，根據數據的成本和預期的性能增益來選擇最具價值的實驗。

適應性和動態調整：新的收購函數應具備適應性，能根據優化過程中的反饋動態調整其策略。例如，當發現某些候選者的性能不如預期時，收購函數可以自動調整，增加對其他區域的探索。

通過這些考量，設計出來的收購函數將能更好地適應化學問題的特點，從而提高MFBO的性能。

MFBO在其他科學領域,如材料科學或生物學,是否也能取得同樣的成功?

多忠誠度貝葉斯優化（MFBO）在其他科學領域，如材料科學和生物學，確實有潛力取得同樣的成功。以下是幾個關鍵因素，說明MFBO在這些領域的應用潛力：

高維度和複雜性：材料科學和生物學中的問題通常涉及高維度的參數空間，這與化學問題相似。MFBO能夠有效地處理這些高維數據，並通過整合低忠誠度數據來加速優化過程。

數據的多樣性：在材料科學中，研究者經常需要考慮不同材料的結構、組成和性能等多種因素。MFBO的多忠誠度特性使其能夠整合來自不同實驗和計算方法的數據，從而提高優化的效率和準確性。

成本效益：在生物學研究中，實驗成本通常很高，尤其是在藥物發現和基因編輯等領域。MFBO能夠利用低成本的計算數據來輔助高成本的實驗，從而降低整體研究成本並提高效率。

成功案例：已有研究表明，MFBO在材料科學中用於加速新材料的發現和優化方面取得了成功。例如，MFBO被用於設計新型電池材料和催化劑。在生物學領域，MFBO也被應用於藥物發現和基因編輯的優化。

總之，MFBO在材料科學和生物學等其他科學領域的應用潛力巨大，並且有望在這些領域中取得與化學發現相似的成功。隨著計算能力的提升和數據獲取技術的進步，MFBO的應用範圍將會進一步擴大。