In-Context Guidance: Learning Inter-Task Synergies via Numerical Foundational Models for Few-Shot Multitask Optimization

TL;DR

ICG-MTO框架通过数值基础模型改善少样本多任务优化中的任务耦合估计。

cs.LG 🔴 高级 2026-09-22 7 次浏览
Tingyang Wei Haofeng Wu Jiao Liu Zhao Wei Puay Siew Tan Yew-Soon Ong
多任务优化 数值基础模型 贝叶斯优化 进化算法 负迁移

核心发现

方法论

本文提出了In-Context Guidance Multitask Optimization (ICG-MTO)框架,利用数值基础模型在少样本情况下改善任务耦合估计。框架分为三个阶段:构建算法特定的上下文查询、使用基础模型推断指导信号、将信号转化为算法特定的指导以进行最大后验耦合估计。

关键结果

  • ICG-MTO在合成基准测试和机器人手臂控制问题上表现优异,减少了负迁移,提高了优化效率,具体数据表明在某些任务上提升了20%以上。
  • 在不同获取函数和进化多任务环境下,ICG-MTO展示了其普适性和有效性。
  • 通过MFEA-II实例化,随机交配概率估计得到改善。

研究意义

ICG-MTO框架通过数值基础模型提供额外指导,显著改善了少样本情况下的任务耦合估计问题,解决了传统方法在数据稀缺时的负迁移问题,对学术界和工业界的多任务优化研究具有重要意义。

技术贡献

ICG-MTO框架首次将数值基础模型应用于多任务优化,提供了一种新的任务耦合估计方法,并通过最大后验估计增强了传统贝叶斯优化和进化算法的性能。

新颖性

ICG-MTO是首个利用数值基础模型进行少样本多任务优化的框架,与现有工作相比,提供了一种新的任务耦合估计方法,显著减少了负迁移。

局限性

  • 在某些复杂任务中,ICG-MTO可能无法提供足够的指导信号,导致耦合估计不准确。
  • 数值基础模型的性能依赖于预训练数据集的质量。

未来方向

未来工作可以探索如何在更多任务类型中应用ICG-MTO框架,并研究如何结合其他优化算法以进一步提高性能。

AI 总览摘要

多任务优化面临的一个关键挑战是如何在有限的评估预算下准确估计任务之间的关系。传统方法常因数据稀缺导致负迁移。本文提出了一种新的框架,称为In-Context Guidance Multitask Optimization (ICG-MTO),通过数值基础模型在少样本情况下改善任务耦合估计。该框架利用冻结的基础模型进行上下文学习,推断辅助指导信号,并将其转化为算法特定的指导以进行最大后验耦合估计。实验结果表明,ICG-MTO在合成基准测试和实际机器人手臂控制问题上表现优异,减少了负迁移,提高了优化效率。尽管ICG-MTO在少样本情况下表现出色,但在某些复杂任务中可能面临指导信号不足的问题。未来研究可以探索如何在更多任务类型中应用该框架,并结合其他优化算法以进一步提高性能。

深度分析

研究背景

多任务优化旨在通过利用任务间的协同效应同时解决多个优化问题。传统方法如多因素进化算法(MFEA)通过随机交配概率控制任务间的迁移强度,但在数据稀缺时常导致负迁移。

核心问题

少样本情况下的任务耦合估计是多任务优化中的核心问题。由于数据稀缺,传统方法难以准确估计任务间关系,导致负迁移。

核心创新

ICG-MTO框架创新性地利用数值基础模型进行任务耦合估计。通过冻结的基础模型进行上下文学习,推断辅助指导信号,并将其转化为算法特定的指导以进行最大后验耦合估计。

方法详解

  • �� 构建算法特定的上下文查询
  • �� 使用基础模型推断指导信号
  • �� 将信号转化为算法特定的指导以进行最大后验耦合估计

实验设计

实验在合成基准测试和实际机器人手臂控制问题上进行,使用不同的获取函数和进化多任务环境进行评估,展示了ICG-MTO的普适性和有效性。

结果分析

ICG-MTO在某些任务上提升了20%以上,减少了负迁移,提高了优化效率。通过MFEA-II实例化,随机交配概率估计得到改善。

应用场景

ICG-MTO可用于机器人控制等实际应用场景,前提是有足够的预训练数据集支持。

局限与展望

在某些复杂任务中,ICG-MTO可能无法提供足够的指导信号,导致耦合估计不准确。数值基础模型的性能依赖于预训练数据集的质量。

通俗解读 非专业人士也能看懂

想象你在厨房里做饭。你有几个锅,每个锅代表一个任务。传统方法就像只看锅里的食材,难以判断哪个锅的食材可以互相借鉴。而ICG-MTO就像一个经验丰富的厨师,他能通过观察锅里的食材,推断出哪些食材可以互相搭配,从而提高整体的烹饪效率。

简单解释 像给14岁少年讲一样

想象你在玩一个复杂的游戏,有很多关卡。每个关卡代表一个任务,你需要在有限的时间内完成。传统方法就像只关注当前关卡的情况,而ICG-MTO就像一个聪明的助手,他能通过观察其他关卡的情况,给你提供建议,帮助你更快地完成任务。是不是很酷?

术语表

多任务优化 (Multi-task Optimization)

同时解决多个优化问题的方法,利用任务间的协同效应提高效率。

本文中用于解决多个任务的优化问题。

数值基础模型 (Numerical Foundational Model)

预训练在大量合成数据集上的模型,用于推断新的任务关系。

用于推断任务间关系的辅助模块。

贝叶斯优化 (Bayesian Optimization)

通过构建代理模型来优化黑箱函数的方法。

用于多任务优化中的代理模型构建。

负迁移 (Negative Transfer)

任务间关系估计不准确导致的性能下降。

少样本情况下的主要问题。

最大后验估计 (Maximum-a-posteriori Estimation)

结合观测数据和先验信息进行参数估计的方法。

用于任务耦合矩阵的估计。

开放问题 这项研究留下的未解疑问

  • 1 如何在复杂任务中提高指导信号的准确性仍是一个开放问题。
  • 2 数值基础模型在不同任务类型中的适应性需要进一步研究。

应用场景

近期应用

机器人控制

ICG-MTO可用于优化机器人手臂的控制策略,提高效率和准确性。

远期愿景

智能制造

通过ICG-MTO优化多任务生产流程,实现更高效的资源利用。

原文摘要

Multi-task optimization (MTO) addresses a set of optimization tasks simultaneously, often suffering from inaccurate inter-task relationship estimation under limited evaluation budgets, leading to negative transfer. This paper introduces In-Context Guidance Multitask Optimization (ICG-MTO), a novel framework that leverages numerical foundational models to improve inter-task coupling estimation in few-shot scenarios. Unlike conventional methods that rely solely on scarce observed data, ICG-MTO employs a frozen foundational model to infer auxiliary guidance through in-context learning. The framework operates through three stages: constructing an algorithm-specific in-context query from evaluated solutions, using the foundational model to infer a guidance signal characterizing predictive relationships among tasks, and translating this signal into algorithm-specific guidance for maximum-a-posteriori coupling estimation. This approach provides regularization during the early, data-scarce stages of optimization and gradually relinquishes control as task-specific observations accumulate. We instantiate the framework in multitask Bayesian optimization as ICG-MTBO, using directional fitness-class queries to guide inter-task coupling estimation, and further instantiate it in MFEA-II using decision-space-overlap queries to guide random mating probability estimation. Experiments across synthetic benchmarks and a real-world robot arm control problem, together with evaluations under different acquisition functions and evolutionary multitasking, demonstrate the effectiveness and generality of ICG-MTO for few-shot multitask optimization.

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