LLaMEA-BO: A Large Language Model Evolutionary Algorithm for Automatically Generating Bayesian Optimization Algorithms

TL;DR

LLaMEA-BO利用大语言模型自动生成贝叶斯优化算法,提升19个BBOB函数性能。

cs.LG 🔴 高级 2025-05-27 5 次浏览
Wenhu Li Niki van Stein Thomas Bäck Elena Raponi
贝叶斯优化 大语言模型 进化算法 自动化 性能提升

核心发现

方法论

LLaMEA-BO框架通过进化策略指导大语言模型生成Python代码,保留贝叶斯优化算法的关键组件:初始设计、代理模型和采集函数。通过COCO平台的BBOB测试套件评估候选算法,选择表现优异者进行组合和变异,迭代优化。

关键结果

  • 生成的算法在24个BBOB函数中19个表现优于现有基线,尤其在5维度上表现突出。
  • 算法在Bayesmark框架的不同任务中表现良好,显示出较强的泛化能力。
  • 无额外微调情况下,生成的算法在高维度和不同任务中也表现优异。

研究意义

该研究展示了大语言模型可以作为算法共设计者,提供了一种自动化开发贝叶斯优化算法的新范式,加速了新算法组合的发现。

技术贡献

LLaMEA-BO首次实现了大语言模型驱动的完整贝叶斯优化算法演化,超越当前最先进的BO基线。提供了新的理论保证和工程可能性。

新颖性

这是首次使用大语言模型生成完整的贝叶斯优化算法代码,突破了以往仅改善单个组件的限制。

局限性

  • 在某些高维问题上,生成算法可能不如特定优化方法有效。
  • 算法生成过程依赖于初始提示的质量。

未来方向

未来工作可以探索更复杂的任务和更高维度的优化问题,进一步增强算法的鲁棒性和适应性。

AI 总览摘要

贝叶斯优化是一种强大的算法,用于优化昂贵的黑箱函数。然而,设计有效的BO算法仍然是一个需要专业知识的手动过程。最近的大语言模型的进步为自动化科学发现开辟了新途径,包括优化算法的自动设计。LLaMEA-BO框架使用进化策略指导大语言模型生成完整的BO算法代码。该框架通过COCO平台的BBOB测试套件评估候选算法,选择表现优异者进行组合和变异,迭代优化。尽管没有额外微调,生成的算法在19个BBOB函数中表现优于现有基线,并在Bayesmark框架的不同任务中表现良好。该研究展示了大语言模型可以作为算法共设计者,提供了一种自动化开发贝叶斯优化算法的新范式,加速了新算法组合的发现。

深度分析

研究背景

贝叶斯优化是一种广泛应用的优化框架,用于优化昂贵的黑箱函数。近年来,BO在机器学习、算法选择和配置等领域取得了显著进展。然而,设计有效的BO算法仍然需要专业知识和手动调试。

核心问题

设计有效的贝叶斯优化算法是一个复杂的过程,需要选择和调整初始设计方案、代理模型和采集策略。现有方法依赖于专家知识,难以自动化。

核心创新

LLaMEA-BO利用大语言模型自动生成完整的贝叶斯优化算法代码,突破了以往仅改善单个组件的限制。通过进化策略指导模型生成代码,保持算法的关键组件。

方法详解

  • �� 使用进化策略指导大语言模型生成Python代码
  • �� 保留贝叶斯优化算法的关键组件:初始设计、代理模型和采集函数
  • �� 通过COCO平台的BBOB测试套件评估候选算法
  • �� 选择表现优异者进行组合和变异,迭代优化

实验设计

实验使用COCO平台的BBOB测试套件评估候选算法,选择表现优异者进行组合和变异。通过Bayesmark框架验证算法的泛化能力。

结果分析

生成的算法在24个BBOB函数中19个表现优于现有基线,尤其在5维度上表现突出。算法在Bayesmark框架的不同任务中表现良好,显示出较强的泛化能力。

应用场景

该算法可用于自动化机器学习中的超参数优化、实验设计和模拟优化,减少专家知识的依赖。

局限与展望

在某些高维问题上,生成算法可能不如特定优化方法有效。算法生成过程依赖于初始提示的质量。

通俗解读 非专业人士也能看懂

想象一个厨师在厨房里做饭。他有很多食材,但不知道如何组合才能做出美味的菜肴。贝叶斯优化就像一个聪明的助手,帮助厨师选择最佳的食材组合。大语言模型就像一个超级助手,可以自动生成新的食谱,让厨师尝试不同的组合,直到找到最好的菜肴。

简单解释 像给14岁少年讲一样

嘿,小伙伴们!想象一下你在玩一个超级复杂的游戏,你需要找到隐藏的宝藏,但地图上没有标记。贝叶斯优化就像一个聪明的指南针,帮助你找到最可能有宝藏的地方。而大语言模型就像一个超级智能的游戏助手,它可以自动生成新的地图,让你更快找到宝藏!是不是很酷?

术语表

贝叶斯优化 (Bayesian Optimization)

一种用于优化昂贵黑箱函数的算法,通过代理模型和采集函数选择高效的评估点。

在本文中用于自动生成优化算法。

大语言模型 (Large Language Model)

一种能够生成和理解自然语言的大规模神经网络模型。

用于自动生成贝叶斯优化算法代码。

进化策略 (Evolutionary Strategy)

一种启发式优化方法,通过选择、变异和组合生成新的候选解。

用于指导大语言模型生成代码。

代理模型 (Surrogate Model)

一种用于模拟目标函数的模型,通常是高斯过程。

在贝叶斯优化中用于选择评估点。

采集函数 (Acquisition Function)

一种用于指导选择下一个评估点的函数,平衡探索和利用。

在贝叶斯优化中用于选择评估点。

开放问题 这项研究留下的未解疑问

  • 1 如何在更高维度和更复杂的任务上保持算法的有效性?
  • 2 生成算法的鲁棒性如何在不同的初始条件下表现?

应用场景

近期应用

自动化超参数优化

减少专家知识的依赖,提高机器学习模型的训练效率。

远期愿景

智能算法设计

通过自动化设计新算法,推动科学发现和技术创新。

原文摘要

Bayesian optimization (BO) is a powerful class of algorithms for optimizing expensive black-box functions, but designing effective BO algorithms remains a manual, expertise-driven task. Recent advancements in Large Language Models (LLMs) have opened new avenues for automating scientific discovery, including the automatic design of optimization algorithms. While prior work has used LLMs within optimization loops or to generate non-BO algorithms, we tackle a new challenge: Using LLMs to automatically generate full BO algorithm code. Our framework uses an evolution strategy to guide an LLM in generating Python code that preserves the key components of BO algorithms: An initial design, a surrogate model, and an acquisition function. The LLM is prompted to produce multiple candidate algorithms, which are evaluated on the established Black-Box Optimization Benchmarking (BBOB) test suite from the COmparing Continuous Optimizers (COCO) platform. Based on their performance, top candidates are selected, combined, and mutated via controlled prompt variations, enabling iterative refinement. Despite no additional fine-tuning, the LLM-generated algorithms outperform state-of-the-art BO baselines in 19 (out of 24) BBOB functions in dimension 5 and generalize well to higher dimensions, and different tasks (from the Bayesmark framework). This work demonstrates that LLMs can serve as algorithmic co-designers, offering a new paradigm for automating BO development and accelerating the discovery of novel algorithmic combinations. The source code is provided at https://github.com/Ewendawi/LLaMEA-BO.

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