SymFormer: End-to-end symbolic regression using transformer-based architecture

TL;DR

SymFormer使用Transformer架构实现符号回归,推理速度快且精度高。

cs.LG 🔴 高级 2022-05-31 41 次浏览
Martin Vastl Jonáš Kulhánek Jiří Kubalík Erik Derner Robert Babuška
符号回归 Transformer 机器学习 常数优化 快速推理

核心发现

方法论

SymFormer采用Transformer架构,结合符号和常数的联合预测。模型在数百万公式上进行训练,使用自回归生成符号表达式和对应常数。通过交叉注意力和自注意力机制,模型能够高效地生成公式,并利用局部梯度搜索优化常数。

关键结果

  • SymFormer在Nguyen基准测试中R2达到0.99998,推理时间为47.5秒,显著优于NSRS和DSO。
  • 在Livermore基准测试中,SymFormer的R2为0.99996,推理时间仅为43秒。
  • 通过消融研究,验证了常数预测和局部梯度搜索的重要性。

研究意义

SymFormer在符号回归领域具有重要意义,解决了传统方法中常数优化效率低的问题。其快速推理能力使其在实时应用中具有潜力,并为科学研究提供了新的工具。

技术贡献

SymFormer在技术上突破了传统符号回归方法的限制,通过同时预测符号和常数,提高了模型的表达能力和精度。其使用的Transformer架构为符号回归开辟了新的研究方向。

新颖性

SymFormer首次实现了符号和常数的联合预测,与现有方法相比,显著提高了推理速度和精度。其创新在于使用Transformer架构处理符号回归任务。

局限性

  • 模型在处理复杂函数时可能出现过拟合现象,尤其是在常数优化阶段。
  • 对于多变量函数,推理时间有所增加。

未来方向

未来工作可以探索更复杂的函数结构以及在更大范围内的常数优化。此外,研究如何在更少的数据上训练模型也是一个重要方向。

AI 总览摘要

符号回归是从观测数据中自动推导数学公式的任务,传统方法如遗传编程效率低下且耗时。SymFormer通过Transformer架构实现了符号和常数的联合预测,大幅提高了推理速度和精度。

SymFormer在数百万公式上进行训练,使用自回归生成符号表达式和对应常数。其创新之处在于同时预测符号和常数,并利用局部梯度搜索优化常数。实验结果表明,SymFormer在多个基准测试中表现优异,推理速度显著快于现有方法。

尽管SymFormer在符号回归领域取得了显著进展,但在处理复杂函数时仍存在挑战。未来的研究可以探索更复杂的函数结构以及在更大范围内的常数优化,以进一步提高模型的性能和适用性。

深度分析

研究背景

符号回归是自动推导数学公式的任务,广泛应用于物理、机器人学和机器学习等领域。传统方法如遗传编程需要大量计算资源,且推理速度慢。近年来,神经网络方法逐渐兴起,尤其是基于Transformer的模型在符号回归中显示出潜力。

核心问题

传统符号回归方法在常数优化上效率低下,导致推理速度慢且结果不理想。如何在保证精度的同时提高推理速度是一个重要挑战。

核心创新

SymFormer通过Transformer架构实现符号和常数的联合预测。其创新之处在于同时生成符号和常数,并利用局部梯度搜索优化常数,提高了模型的表达能力和精度。

方法详解

  • �� 使用Transformer架构进行符号和常数的联合预测。
  • �� 在数百万公式上进行训练,使用自回归生成符号表达式。
  • �� 利用交叉注意力和自注意力机制提高生成效率。
  • �� 通过局部梯度搜索优化常数,提高模型精度。

实验设计

实验设计包括在多个基准测试上评估SymFormer的性能。使用Top-K采样生成候选公式,并通过局部梯度搜索优化常数。实验结果表明,SymFormer在多个基准测试中表现优异,推理速度显著快于现有方法。

结果分析

SymFormer在Nguyen基准测试中R2达到0.99998,推理时间为47.5秒,显著优于NSRS和DSO。通过消融研究,验证了常数预测和局部梯度搜索的重要性。

应用场景

SymFormer可用于科学研究中自动推导公式,提高研究效率。其快速推理能力使其在实时应用中具有潜力。

局限与展望

尽管SymFormer在符号回归领域取得了显著进展,但在处理复杂函数时仍存在挑战。未来的研究可以探索更复杂的函数结构以及在更大范围内的常数优化。

通俗解读 非专业人士也能看懂

想象你在厨房做菜,SymFormer就像一个智能厨师助手。它能根据食材(输入数据)自动生成菜谱(数学公式),而且速度非常快。传统方法就像手动写菜谱,既慢又容易出错。SymFormer不仅能快速生成菜谱,还能自动调整调料(常数),确保菜肴的味道(精度)最佳。

简单解释 像给14岁少年讲一样

想象你在玩一个游戏,SymFormer就像一个超级助手,能帮你快速找到通关秘籍(数学公式)。传统方法就像自己摸索,既慢又容易卡关。SymFormer不仅能快速找到秘籍,还能自动调整策略(常数),确保你能轻松通关。是不是很酷?

术语表

符号回归 (Symbolic Regression)

从观测数据中自动推导数学公式的任务。

用于描述自然过程或技术系统。

Transformer

一种基于注意力机制的深度学习模型架构。

用于实现符号和常数的联合预测。

自回归 (Autoregressive)

一种通过逐步生成序列的预测方法。

用于生成符号表达式。

局部梯度搜索 (Local Gradient Search)

一种优化常数以提高模型精度的方法。

用于优化SymFormer生成的常数。

Top-K采样 (Top-K Sampling)

一种从概率分布中选择前K个最可能结果的方法。

用于生成候选公式。

开放问题 这项研究留下的未解疑问

  • 1 如何在更复杂的函数结构上提高SymFormer的性能?
  • 2 如何在更少的数据上训练SymFormer?
  • 3 如何进一步优化常数以提高模型精度?

应用场景

近期应用

科学研究

SymFormer可用于自动推导科学研究中的数学公式,提高研究效率。

远期愿景

实时应用

SymFormer的快速推理能力使其在实时应用中具有潜力,如自动驾驶和机器人控制。

原文摘要

Many real-world problems can be naturally described by mathematical formulas. The task of finding formulas from a set of observed inputs and outputs is called symbolic regression. Recently, neural networks have been applied to symbolic regression, among which the transformer-based ones seem to be the most promising. After training the transformer on a large number of formulas (in the order of days), the actual inference, i.e., finding a formula for new, unseen data, is very fast (in the order of seconds). This is considerably faster than state-of-the-art evolutionary methods. The main drawback of transformers is that they generate formulas without numerical constants, which have to be optimized separately, so yielding suboptimal results. We propose a transformer-based approach called SymFormer, which predicts the formula by outputting the individual symbols and the corresponding constants simultaneously. This leads to better performance in terms of fitting the available data. In addition, the constants provided by SymFormer serve as a good starting point for subsequent tuning via gradient descent to further improve the performance. We show on a set of benchmarks that SymFormer outperforms two state-of-the-art methods while having faster inference.

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