【新智元導讀】沖鋒在AI輔助數學研究第一線的陶哲軒，近日又有「神總結」：ChatGPT提升的，是我們在編碼、圖表等次要任務上的能力；而真要搞好數學研究，基礎不紮實的話，AI也是沒用的。
使用ChatGPT一年半了，陶哲軒的感想如何？
最近，一直沖鋒在探索AI輔助研究功能前線的數學大神陶哲軒，總結了ChatGPT對自己數學研究過程的幫助。
有趣的是，他發現AI輔助在數學方面的用處倒是有限，但它大大提升的，是自己在次要任務上的能力，比如編碼和製作圖表。
所以說，想要搞好數學研究，還是需要紮實的數學基礎，純靠AI是沒用的。
數學不好的人，其實AI的幫助可能也沒那麽大
陶哲軒表示，使用#Python的matplotlib.pyplot庫的一個額外收獲是，自己現在可以相對輕松地創建定性圖表，來說明更多非正式關系了。
在以前，他只能用文字或者草草繪製的手寫草圖來表達這種非正式關系。
為此，陶哲軒發現了一個有效的工作流：向ChatGPT請求一個簡化示例的代碼，然後自己調整和修改代碼，直到輸出符合預期為止。
比如，通過下面這幾輪對話，在幾分鐘內他就得到了自己想要的圖表。
最後陶哲軒總結道，AI輔助在自己主要研究的數學領域倒是用處有限，但它大大提高了自己在編碼、製作圖表這類次要任務中的能力，同時也將自己在一般任務中的能力，提升到了至少是初學者的水平。
同時他也點出，在自己看來，對於那些精通編程但並不那麽精通數學的人來說，AI輔助可能就不會起到這麽大的作用。
陶哲軒和ChatGPT的對話，具體如下——
https://chatgpt.com/share/064ae58d-7400-4589-a027-d66a8a8a236e
陶哲軒問：「在Python中，我知道如何使用pyplot軟件包製作圖形的單個圖像。有什麽方法可以讓我用Python製作多個圖形的幻燈片或其他動畫圖像嗎？比如，製作一個幻燈片，展示函數$x$, $x^2$, $x^3$, $x^4$對於$x \in [0,1]$的圖形。」
ChatGPT回答說：「是的，你可以使用matplotlib包中的matplotlib.animation模塊，在Python中創建多個圖形的幻燈片或動畫圖像。 」
接下來，ChatGPT就給出了創建該函數動畫的具體步驟，詳細給出了代碼——
1. Install matplotlib if you haven't already : pip install matplotlib
2. Use the following code to create an animation :
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation as animation
# Define the range for x
x = np.linspace(0, 1, 400)
# Define the functions
functions = [lambda x: x, lambda x: x**2, lambda x: x**3, lambda x: x**4]
# Create a figure and axis
fig, ax = plt.subplots()
line, = ax.plot(x, functions[0](x))
# Set axis labels and title
ax.set_xlabel('x')
ax.set_ylabel('f(x)')
ax.set_title('Animated Functions')
# Initialize the animation function
def init():
line.set_ydata([np.nan] * len(x))
return line,
# Update the animation function
def update(frame):
line.set_ydata(functions[frame](x))
ax.set_title(f'Function: $x^{frame+1}$')
return line,
# Create the animation
ani = animation.FuncAnimation(
fig, update, frames=len(functions), init_func=init, blit=True, repeat=True, interval=1000
)
# Save the animation as a gif
ani.save('animated_functions.gif', writer='imagemagick')
plt.show( )
同時， ChatGPT還給出了相應解釋：首先要導入必要模塊，比如導入numpy進行數值運算，導入pyplot進行繪圖，導入animation創建動畫。
然後需要定義x的範圍，創建一個從0到1的數組x，包含400個點。
接著需要定義函數、創建圖形和坐標軸、初始化動畫函數等等。
ChatGPT給出的答案很好，但每個動畫中只能顯示一個函數。
為了達到目的，陶哲軒進一步提問道：「如果我想讓每個動畫顯示兩個函數呢？例如，第一幀顯示$x$和$x^2$，第二幀顯示$x^2$和$x^3$，第三幀顯示$x^3$和$x^4$。」
ChatGPT表示：「要在動畫的每一幀顯示兩個函數，可以修改代碼，為每一幀繪製兩條線。」
接下來，ChatGPT還是給出了詳細的代碼。
1. Install matplotlib if you haven't already : pip install matplotlib
2. Use the following code to create the animation with two functions per frame :
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation as animation
# Define the range for x
x = np.linspace(0, 1, 400)
# Define the functions
functions = [lambda x: x, lambda x: x**2, lambda x: x**3, lambda x: x**4]
# Create a figure and axis
fig, ax = plt.subplots()
line1, = ax.plot(x, functions[0](x), label='$x$')
line2, = ax.plot(x, functions[1](x), label='$x^2$')
# Set axis labels and title
ax.set_xlabel('x')
ax.set_ylabel('f(x)')
ax.legend()
ax.set_title('Animated Functions')
# Initialize the animation function
def init():
line1.set_ydata([np.nan] * len(x))
line2.set_ydata([np.nan] * len(x))
return line1, line2
# Update the animation function
def update(frame):
line1.set_ydata(functions[frame](x))
line2.set_ydata(functions[frame+1](x))
ax.legend([f'$x^{frame+1}$', f'$x^{frame+2}$'])
return line1, line2
# Create the animation
ani = animation.FuncAnimation(
fig, update, frames=len(functions)-1, init_func=init, blit=True, repeat=True, interval=1000
)
# Save the animation as a gif
ani.save('animated_double_functions.gif', writer='imagemagick')
plt.show( )
隨後ChatGPT照例給出了詳細解釋：為了在「0,1」的區間上創建（$x$和$x^2$，$x^2$和$x^3$，$x^3$和$x^4$）的函數，需要定義x的範圍、定義函數、創建圖形和坐標軸、初始化動畫函數等。
陶哲軒表示：「這樣就差不多可以了，但圖例似乎無法隨動畫更新，它會停留在x^3和 x^4。有沒有辦法在每一幀都更新圖例？」
針對這個問題，ChatGPT給出了對策，就是通過清除現有圖例並創建新的圖例，來更新每一幀的圖例。
隨後，ChatGPT貼心地給出了可以正確更新圖例的修改後的代碼。
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation as animation
# Define the range for x
x = np.linspace(0, 1, 400)
# Define the functions
functions = [lambda x: x, lambda x: x**2, lambda x: x**3, lambda x: x**4]
# Create a figure and axis
fig, ax = plt.subplots()
line1, = ax.plot(x, functions[0](x), label='$x$')
line2, = ax.plot(x, functions[1](x), label='$x^2$')
# Set axis labels and title
ax.set_xlabel('x')
ax.set_ylabel('f(x)')
ax.set_title('Animated Functions')
# Initialize the animation function
def init():
line1.set_ydata([np.nan] * len(x))
line2.set_ydata([np.nan] * len(x))
return line1, line2
# Update the animation function
def update(frame):
line1.set_ydata(functions[frame](x))
line2.set_ydata(functions[frame+1](x))
ax.legend([f'$x^{frame+1}$', f'$x^{frame+2}$'])
return line1, line2
# Create the animation
ani = animation.FuncAnimation(
fig, update, frames=len(functions)-1, init_func=init, blit=True, repeat=True, interval=1000
)
# Save the animation as a gif
ani.save('animated_double_functions.gif', writer='imagemagick')
plt.show( )
ChatGPT解釋道：更新函數中的ax.legend()調用，就可以清除現有圖例，並且使用每幀的新標簽進行更新了。這樣就可以確保，圖例反映的是當前顯示函數的功能。
陶哲軒繼續提問——
「我想讓Python繪製一個用數字描述，但用字符串標註的函數圖。例如，我想繪製這樣一幅圖：橫軸上標有『今天』、『下周』和『明年』，分別代表x=1、x=2和x=3的位置，縱軸上標有『初級』、『中級』和『專家』，分別代表y=1、y=4和y=9的位置（因此縱向標簽的間距並不相等），要繪製的圖形是拋物線y=x^2的圖形。如何繪製？」
ChatGPT回答：「要繪製橫軸和縱軸用字符串標註但與特定數值相對應的圖表，可以使用matplotlib庫並自定義刻度標簽。」
1. Install matplotlib if you haven't already : pip install matplotlib
2. Use the following code to create the plot :
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# Define the numerical values for the x and y positions
x_values = [1, 2, 3]
y_values = [1, 4, 9]
# Define the corresponding string labels for x and y axes
x_labels = ["Today", "Next week", "Next year"]
y_labels = ["Beginner", "Intermediate", "Expert"]
# Define the function to be plotted (y = x^2)
x = np.linspace(1, 3, 100)
y = x**2
# Create a figure and axis
fig, ax = plt.subplots()
# Plot the function
ax.plot(x, y, label='$y=x^2$')
# Set the x and y axis labels
ax.set_xlabel('Time')
ax.set_ylabel('Level')
# Set the x and y axis tick positions and labels
ax.set_xticks(x_values)
ax.set_xticklabels(x_labels)
ax.set_yticks(y_values)
ax.set_yticklabels(y_labels)
# Add a legend
ax.legend( )
# Set the title
ax.set_title('Parabola $y=x^2$ with Custom Axis Labels')
# Display the plot
plt.show( )
並且給出了相應解釋。
至此，陶哲軒的問題就被ChatGPT完美解決了。
網友：圖表存在「幻覺」
在陶哲軒的評論區，有網友指出了此圖的準確性有問題：兩條線之間的山谷意味著什麽？那裏的相對位移應該更大才對。
在他看來，用手繪塗鴉來表達這類非正式想法是比較合適的，可以讓形式與內容相匹配，避免了使用和標準化這些AI工具過程中的缺點。
對於這名網友的「找茬」，陶哲軒進行了詳盡的回復。
他解釋道，如果自己想要傳達復雜關系的圖像，手繪圖是很不方便的，一方面原因是自己不擅長手繪，另一方面，也是因為無法很輕松地編輯出一個草圖，讓它部分地傳達自己的想法。
而借助Python，自己就可以輕松地循環，進行十幾次嘗試，然後找到一個能捕捉到自己想要的細微差別的方法了。
例如，他確實有意讓初級領域和次級領域之間的山谷在AI的幫助下獲得更高的推動力（這個山谷代表著兩個相鄰的領域）。
在陶哲軒看來，純數學是自己的主要領域，而計算機編程是次要技能；自己對於設置和安裝機器學習軟件包並沒有直接經驗，但後者與這兩個專業相鄰，所以他會把它放在這個圖的中間位置。
而對於圖表不夠精確這個問題，陶哲軒解釋道，數軸上沒有數字標簽，應該就已經意味著這是一張非正式圖像。
或者，他建議我們可以創建其他信號，來更加強調圖形的非正式性，比如讓線條更厚、更模糊，同時選擇不那麽「專業」的字體。
這些在Python中是很容易做到的，但如果要手工完成，就只能重繪圖像了。
同時，針對這位網友的建議，陶哲軒也表示，在使用ChatGPT/Python之前，自己的確也提前手繪了草圖。
隨後，陶哲軒又在圖表上進行了一些調整，添加了一些不建議使用AI輔助的情況：在幾乎沒有先驗知識的情況下嘗試用AI處理中等難度的任務，或者在只有中等先驗知識的情況下嘗試處理專家難度的任務。
陶哲軒表示，在這種特殊情況下，此類更新在手繪圖像上是可行的，並且只需要添加新繪圖就可以了，而不是刪除或修改現有繪圖。
但他強調，對於許多其他類型的修訂，使用手繪圖像作為主圖像來源會很不方便。
「資深用戶」陶哲軒
其實早在2023年3月，陶哲軒就開始探索如何將AI加入到自己的工作流裏了。
起初，陶哲軒想讓ChatGPT根據他的描述直接得到「Kummer定理」這個名字。不過，AI給出的結果卻是一個Legendre公式。好在，後續可以根據這個線索，通過傳統搜索引擎輕松找到答案。
據此，陶哲軒認為，AI在數學中的作用是提供一個初步解答，然後可以通過更傳統的方法進行細化。
接下來，陶哲軒從原理上對比了傳統計算機軟件工具和AI工具，發現二者的工作流極為不同。
例如，對於傳統的LaTeX到PDF編譯器來說，只要輸入的代碼正確，那麽一定可以得到一份完美的PDF。但如果輸入的代碼有格式錯誤，結果要麽是編譯錯誤，要麽是一份嚴重混亂的PDF。
而AI LaTeX編譯器則可以更加優雅地處理噪聲或格式錯誤的輸入，但它不能以「一鍵完成」的方式使用，而是需要進行大量的互動。
隨後，在大量的嘗試中，陶哲軒又發現了一些ChatGPT在處理數學問題時的小亮點。
比如，一旦AI「學會」了用戶的需求，用戶就可以用最少的解釋或預格式化來提供進一步的數據，而AI依然可以推斷出一個令人滿意的輸出。
例如，在隨後的此類請求中，即使輸入不是MathSciNet格式，AI仍然能夠繼續我在附加請求中隱含引入的參考命名約定。
總的來說，這些AI工具並不能幫助直接攻克未解的數學問題，但它們在各種相關的任務中相當有用，盡管之後常常需要一些手動調整。
2023年4月，在經過一段時間的使用之後，陶哲軒針對AI和人類（主要是自己）各自的優勢進行了一波總結。
1. 對於每天都要做的任務，陶哲軒已經掌握了足夠的技術來優化工作流。在這方面，AI工具的幫助不大。最明顯的就是在研究數學，同時也包括他已經極為熟練的郵件撰寫。
2. 對於有一些專業知識但很少實踐的任務，AI工具是有幫助的。比如創建初稿或者提供靈感，然後陶哲軒自己再去進行驗證和完善。這一類的例子包括數據處理、翻譯成外語，或以很少使用的格式編寫文本（比如，公開演講、規則文件等）。
3. 對於幾乎沒有專業知識且不需要極高質量和可靠輸出的任務，也可以詢問AI工具，並或多或少地聽從它的建議。在這裏，AI的功能相當於一個操作更簡便的搜索引擎。
4. 對於沒有專業知識但需要質量和可靠性的任務，就必須咨詢人類專家了。一個例子是修理復雜、昂貴且精密的設備。
比如，第二類任務 ：陶哲軒讓GPT用LaTeX輸出流程圖後，得到了下面這張圖片。
可以看到，這張流程圖還比較粗糙，不過對於熟練使用LaTeX的陶哲軒來說，只需簡單修改一下，即可得到下面這個成品。
再比如，第三類任務 ：陶哲軒讓GPT把自己之前的帖子總結為流程圖，結果如下。
2023年9月，陶哲軒對ChatGPT的探索，已經深入到用它來寫代碼了。
作為實驗，他要求ChatGPT寫一段Python代碼，為每個自然數n計算1,...,n的最長子序列的長度() ，其中歐拉全能函數ϕ不遞減。
很快，AI便生成了一段極其巧妙的代碼。雖然還存在一些偏差，但距離最終答案已經非常接近了。
隨後，陶哲軒基於這段初始代碼作為起點，手動生成了自己想要的代碼，這大概節省了他半個小時的工作量。
因為ChatGPT給出的結果非常好，陶哲軒表示，自己以後還會經常使用它，為類似的計算提供初始代碼。
一看陶哲軒對AI的嘗試已經來到了代碼領域，坐不住的網友們便給他安利一波AI加持的VSCode。
對此，陶哲軒本人十分「聽勸」，竟然放下了自己已經用了近10年的TeXnicCenter+MiKTeX，立刻將工作流升級到了VSCode+TeX Live+LaTeX workshop+GitHub Copilot。
在初次嘗試中，他主要用的是很基礎的代碼片段功能（code snippets feature）——
通過輸入觸發詞（比如「cor」），並按下Tab鍵來創建整個推論環境（corollary environment），非常節省時間。
就在不到一個月之後，陶哲軒表示，他已經在用Github Copilot為自己的博客文章撰寫提供助力了。
比如在下面這個例子中，陶哲軒將一個積分分成三部分，並描述了如何估計第一部分，隨後Copilot正確地給出了剩下兩部分的估計方法。
他預計，在最終的成稿中，大約有十幾句來自Copilot的建議會以某種形式呈現出來。
隨著AI自身的進化，以及愈發熟練的掌握，陶哲軒發現AI已經不再局限於外圍的任務，而是可以涉足數學領域本身了。
比如，在使用Lean進行自然數遊戲研究時，他便通過GPT-4的輔助得到了關於有限多個實變量不等式理論的成果。
並且，隨著關卡變得越來越難，GPT的作用也越加能夠凸顯出來。
而在這波體驗之後，大神本人也算是徹底「入坑」了。
OK，自然數遊戲已經完成，現在我要去安裝Lean並編寫一個「hello world」程序了。
幾天之後，又是一大波心得總結：
- Github Copilot在完成簡短論證時非常有用，盡管它的較長建議通常是錯誤的。但即使是錯誤的建議也能幫助我學到正確的語法。
- GPT-4在澄清Lean語法的細微差別並提供我用數學英語解釋的步驟的Lean翻譯建議方面有一定幫助。然而，它似乎更受Lean3語法和最佳實踐的影響，而不是Lean4。
終於，在經過差不多100個小時的努力之後，陶哲軒用Lean4完成了Maclaurin型不等式論文的形式化。
大神畢竟是大神，陶哲軒很快又再一次跑通了用AI工具輔助數學研究——形式化多項式Freiman-Ruzsa猜想的證明，大獲成功。---[新智元報導*編輯：Aeneas 好困/來源: 新智元]
參考資料：https://mathstodon.xyz/@tao/112735110429475270
https://mathstodon.xyz/@tao/110250470289337319
