基於終身學習的自動形式化定理證明：LeanAgent

Основні поняття

LeanAgent 是一個基於終身學習的自動定理證明框架，它能夠在不斷擴展的數學知識庫上持續泛化和改進，而不會遺忘先前學到的知識，展現出在處理複雜數學問題上的潛力。

Анотація

文獻綜述

• 數學可以用非正式和正式的語言表達。非正式數學使用自然語言和直觀推理，而正式數學則使用符號邏輯來構建機器可驗證的證明。
• 大型語言模型 (LLM) 在生成證明步驟或完整證明方面展現出潛力。
• 現有方法通常涉及在特定數據集上訓練或微調 LLM。然而，形式化定理證明中的數據稀缺性阻礙了這些方法的泛化能力。
• 數學研究的動態性加劇了這一泛化問題。數學家經常同時或循環地在多個領域和項目中進行形式化。
• 現有定理證明 AI 方法的一個關鍵差距是：缺乏一個能夠適應和改進多個不同數學領域的系統，尤其是在 Lean 數據有限的情況下。

LeanAgent：基於終身學習的定理證明框架

LeanAgent 是一種新穎的定理證明終身學習框架，旨在解決上述挑戰。其工作流程包括：

1. **課程學習：**LeanAgent 使用課程學習在越來越複雜的數學知識庫上進行學習。它根據定理的複雜性（使用 eS 計算，其中 S 表示證明步驟的數量）對知識庫進行排序，並從包含最多簡單定理的知識庫開始學習。
2. **動態數據庫管理：**LeanAgent 使用自定義動態數據庫來管理其不斷發展的數學知識。該數據庫存儲從 Lean 知識庫中提取的信息，包括定理、證明和依賴關係。
3. **檢索器的漸進式訓練：**LeanAgent 使用漸進式訓練方法來避免災難性遺忘。它在從每個知識庫生成的數據集上逐步訓練檢索器，從而使其能夠在保留先前學習信息的同時適應新的數學知識。
4. **未證明定理的證明：**LeanAgent 使用最佳優先搜索算法來生成未經人類證明的定理（稱為 sorry 定理）的證明。它通過檢索與當前證明狀態相似的相關前提，並使用波束搜索生成策略候選來實現這一點。

實驗結果

• LeanAgent 在 23 個不同的 Lean 知識庫中成功證明了 162 個先前未經人類證明的定理，其中許多來自高等數學。
• 它在證明新的 sorry 定理方面的表現優於靜態 ReProver 基線高達 11 倍，同時保持了對已知定理的性能。
• LeanAgent 在定理證明中表現出漸進式學習，最初證明基本的 sorry 定理，並顯著提升到更複雜的定理。
• LeanAgent 在遺忘度量和向後傳輸方面表現出色，獲得了接近完美的 94% 的綜合得分。這解釋了其持續的泛化能力和持續改進。

結論

LeanAgent 是一個很有前途的定理證明終身學習框架，它能夠在多個數學領域實現持續的泛化和改進。其基於課程學習、漸進式訓練和動態數據庫管理的獨特組合使其能夠有效地學習和適應新的數學知識，而不會遺忘先前學到的信息。

Статистика

LeanAgent 在 23 個不同的 Lean 知識庫中成功證明了 162 個先前未經人類證明的定理。
LeanAgent 在證明新的 sorry 定理方面的表現優於靜態 ReProver 基線高達 11 倍。
LeanAgent 在遺忘度量和向後傳輸方面表現出色，獲得了接近完美的 94% 的綜合得分。

Цитати

"We present LeanAgent, a novel lifelong learning framework for theorem proving that continuously generalizes to and improves on ever-expanding mathematical knowledge without forgetting previously learned knowledge."
"LeanAgent successfully proves 162 theorems previously unproved by humans across 23 diverse Lean repositories, many from advanced mathematics."
"It performs up to 11× better than the static LLM baseline, proving challenging theorems in domains like abstract algebra and algebraic topology while showcasing a clear progression of learning from basic concepts to advanced topics."

Ключові висновки, отримані з

LeanAgent: Lifelong Learning for Formal Theorem Proving

by Adarsh Kumar... о arxiv.org 10-10-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.06209.pdf

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LeanAgent 如何與其他數學工具和資源整合，以進一步增強其定理證明能力？

LeanAgent 作為一個終身學習的定理證明框架，可以通過與其他數學工具和資源整合，進一步增強其能力。以下是一些可能的整合方向：

與符號數學工具整合: LeanAgent 可以與符號數學工具（如 Mathematica、Maple 等）整合，利用其强大的符號計算和公式推導能力，輔助 LeanAgent 進行更複雜的數學推理。例如，可以利用符號數學工具驗證 LeanAgent 生成的證明步驟，或者利用其簡化複雜的數學表達式，降低 LeanAgent 的搜索空間。

與其他定理證明器整合: LeanAgent 可以與其他定理證明器（如 Coq、Isabelle 等）整合，實現優勢互補。例如，可以將 LeanAgent 生成的證明草稿轉換為其他定理證明器可接受的格式，利用其嚴格的邏輯系統進行驗證和完善。

與數學知識庫整合: LeanAgent 可以與線上數學知識庫（如 MathWorld、PlanetMath 等）整合，獲取更豐富的數學知識和定理。例如，可以利用知識庫中的定義、定理和證明，擴展 LeanAgent 的前提庫，或者利用其搜索功能，查找與當前證明目標相關的已有結果。

與數學家協作: LeanAgent 可以作為數學家的輔助工具，幫助他們進行形式化證明。例如，LeanAgent 可以根據數學家提供的證明思路，自動生成證明步驟，或者根據數學家輸入的關鍵詞，搜索相關的定理和定義。

通過與這些工具和資源的整合，LeanAgent 可以獲得更强大的數學推理能力，處理更複雜的數學問題，並為數學家提供更有效的形式化證明工具。

LeanAgent 的局限性是什麼？是否存在無法有效處理的特定類型的數學問題或定理？

儘管 LeanAgent 在定理證明領域展現出强大的能力，但它仍然存在一些局限性：

依賴數據: LeanAgent 的性能很大程度上取決於訓練數據的質量和數量。對於缺乏足夠訓練數據的數學領域，LeanAgent 的表現可能會下降。例如，對於涉及微分方程、數值分析等領域的定理，由於缺乏相關的 Lean 形式化數據，LeanAgent 可能難以有效處理。

缺乏常識推理: LeanAgent 目前主要依賴於形式化的數學知識和邏輯推理，缺乏對數學概念的直觀理解和常識推理能力。對於需要借助直覺、經驗或類比等方式才能解決的數學問題，LeanAgent 可能難以找到有效的證明路徑。

無法處理所有類型的證明: LeanAgent 的證明搜索策略基於預先定義的策略和啓發式規則，對於某些需要特殊技巧或創新性思維才能完成的證明，LeanAgent 可能無法找到有效的解決方案。例如，對於需要構造性證明、反證法或歸納法等特殊技巧的定理，LeanAgent 的表現可能不如預期。

計算資源消耗: LeanAgent 的訓練和推理過程需要大量的計算資源，尤其是在處理複雜的數學問題時。這限制了 LeanAgent 在資源受限環境下的應用。

總而言之，LeanAgent 在處理形式化程度高、邏輯推理複雜的數學問題上表現出色，但在處理需要直覺、經驗或特殊技巧的數學問題上仍有提升空間。

如果將 LeanAgent 的終身學習方法應用於其他科學領域（如物理學、化學或生物學），會產生什麼影響？

將 LeanAgent 的終身學習方法應用於其他科學領域，例如物理學、化學或生物學，具有巨大的潛力，可能帶來以下影響：
1. 加速科學發現:

自動化定理證明: 類似於數學，物理、化學和生物學也建立在嚴謹的理論體系之上。 LeanAgent 可以被訓練來理解這些領域的基本原理和定律，並自動推導新的定理和推論，加速科學發現的進程。
數據驅動的建模: 這些科學領域通常依賴於大量的實驗數據來建立模型和驗證假設。 LeanAgent 可以整合這些數據，並利用其終身學習能力，不斷優化模型，提高預測的準確性和可靠性。
2. 促進跨學科研究:

統一的知識表示: LeanAgent 可以作為一個通用的知識表示平台，將不同科學領域的知識整合在一起，促進跨學科研究。
發現隱藏的聯繫: 通過分析不同領域的數據和理論，LeanAgent 可以幫助科學家發現隱藏的聯繫和規律，促進新的科學發現。
3. 推動科學教育:

個性化的學習體驗: LeanAgent 可以根據學生的學習進度和知識水平，提供個性化的學習材料和練習，提高學習效率。
培養科學思維: 通過與 LeanAgent 的互動，學生可以學習如何進行邏輯推理、構建模型和驗證假設，培養科學思維能力。
然而，將 LeanAgent 應用於其他科學領域也面臨一些挑戰：

數據可用性: 與數學相比，其他科學領域的數據往往更加複雜、異構，且缺乏統一的標準和格式。
模型可解釋性: 對於涉及複雜系統的科學問題，模型的可解釋性至關重要。 LeanAgent 需要提供清晰的推理過程和證據，才能被科學家接受和信任。
總而言之，將 LeanAgent 的終身學習方法應用於其他科學領域具有巨大的潛力和影響力，但也需要克服一些挑戰。相信隨著技術的進步和數據的積累， LeanAgent 將在推動科學發展方面發揮越來越重要的作用。