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数十agent,24天挑战数学界巨型工程,还揪出40年前漏洞

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编辑|Neo

100 多位顶尖数学家,耗费数十年,写下 1.5 万页证明。

现在,AI 只用了 24 天,就把这项人类数学史上最庞大的工程之一,变成了 4300 多万行可以由计算机逐步验证的代码。

更惊人的是,AI 在检查这些数学家留下的证明时,还揪出了一个存在近 40 年的论证漏洞。



这不是一道奥数题,也不是一篇几十页的数学论文,而是被称为「巨型定理」(Enormous Theorem)的有限单群分类定理。

从 20 世纪中叶开始,上百位数学家参与了这场研究。1983 年,数学家 Daniel Gorenstein 宣布分类工作已经完成,但此后人们发现其中仍有未补齐的部分。直到 2004 年,数学家又用 1221 页证明填上了一个关键缺口。

10 月 26 日,AI 数学公司 Axiom Math 宣布,由人类数学家和工程师组织的数十个 AI Agent,在 24 天内完成了这一巨型定理的 Lean 形式化,生成约4310 万行代码、205 万个形式化声明,给出了第一份覆盖整个分类定理的计算机检查证明。

原本分散在 500 多篇论文中的数学推理,如今被组织成一套能够逐步检查的形式系统。更让人意外的是,在这个过程中,Agent 不仅找出历史论文里的错误,还参与构造了一项新的群论结果。

Axiom 公开的有限单群分类定理形式化项目,包含约 4310 万行 Lean 代码、205 万个声明、100 个里程碑,涉及 715 篇参考文献。图源:Axiom Math 官网。

数学界花了数十年,

究竟在证明什么?

理解这项工作的难度,要从「对称性」说起。

一张正方形纸片,旋转 90 度后,形状与原来完全重合;旋转 180 度、270 度也是如此。数学家把这些旋转操作及其组合构成的结构称为「群」。从几何图形到粒子物理,群论提供了一种研究对称性的通用语言。

复杂的有限群,可以在一定意义上分解为更基本的部分。就像整数能分解为质因数,这些不能继续拆分的「基本粒子」被称为有限单群。

有限单群分类定理要回答一个看似朴素的问题:所有这样的基本粒子,到底有哪些?

最终清单包含素数阶循环群、交错群、16 个无穷系列的李型单群,以及 26 个特殊的「散在单群」。其中最大的「魔群」(Monster Group),拥有约 8×10^53 个元素。光是证明它存在,就曾是数学界的一项重大成就。



部分「散在单群」之间的关系示意图。其中,顶部的 M 代表最大的散在单群「魔群」(Monster Group),其他节点代表不同的散在单群。

找出这些群,只完成了一半工作。真正难的是证明:除了清单里的类型,不可能再有第 27 个散在单群,也不存在任何尚未发现的新类型。

1963 年,Walter Feit 和 John Thompson 用 255 页论文证明,所有非交换有限单群的阶都是偶数,为后续分类打开了突破口。1972 年,Gorenstein 提出 16 步研究计划;1983 年,他宣布分类完成。后来留下的拟薄群证明缺口直到 2004 年才由 Michael Aschbacher 和 Stephen Smith 补齐,2008 年又出现进一步修正。

庞大的证明像一张跨越数十年的关系网:某篇论文引用另一篇的定理,后者又依赖更早的引理。许多步骤还省略了作者认为显而易见的条件。即使每篇论文单独看起来合理,也很难由一个人检查整套体系的每一处连接。

Axiom 这次要做的,就是把这些连接全部转化成计算机能够核查的证明。

24 天的 Agent 工程,

差点被「正确的证明」拖垮

这不是让一个大模型读完 1.5 万页,再一次性吐出几千万行代码。

10 月 1 日,Axiom 开设专门的 Slack 频道,利用已有的 Lean 基础库和数学文献,整理出一张证明路线图:108 个里程碑、约 380 项具体任务。10 月 2 日,第一批 Agent 开始通过 GitHub Issues 认领任务。

有的 Agent 负责拆解定理,有的搜索已有结果,有的生成 Lean 证明,还有的审查命题、整合代码。遇到尚未完成的前置定理,Agent 可以继续将任务交给其他 Agent。人类数学家处理关键障碍,工程师则负责协调这些持续工作的系统。

这些 Agent 由 Axiom 自主开发的数学证明系统 AxiomProver 协调运行。项目采用了不断调整的多模型组合,但没有公开具体的底层模型名单。相比依靠单个模型完成推理,这套系统更强调不同 Agent 之间的任务拆解、证明生成和协作验证。



Axiom 有限单群分类定理形式化工程的矩形树图(Treemap),展示了不同数学模块中的 Lean 声明与代码规模。图源:Axiom Math。

开工后不久,一个棘手问题出现了:Agent 能够证明一条数学命题,却未必证明了项目真正需要的那一条。

比如,原本要求证明一座桥能让重型卡车安全通过,Agent 却先增加了一个条件:「假设桥墩足够坚固」。有了这个前提,它顺利证明了卡车可以通过,甚至连 Lean 都认可整个推导。

但问题是,桥墩究竟够不够坚固,根本没有得到证明。

类似的问题在项目早期反复出现。一些看似已经完成的数学任务,实际上悄悄引入了尚未证明的前提。Axiom 不得不删除数万行建立在这些假设之上的代码,重新安排工作。

随着代码库膨胀,Lean 的检查速度也开始跟不上 Agent 产出。修改一条基础定理,可能迫使所有依赖它的代码重新检查。工程师为此引入共享构建缓存和并行验证机制,让不同 Agent 尽量复用已经确认的结果。

10 月 10 日,团队 Slack 频道里传来好消息:「WE PROVED MONSTER IS SIMPLE.」Agent 已经完成了魔群单性的形式化,还通过 Griess 代数形式化了它的存在性。

但三天之后,项目进度突然慢了下来。10 月 13 日,尽管数十个 Agent 还在不停生成代码,团队一整天却只完成了一个阶段性证明任务。

问题出在任务拆分上。剩下的数学难题太过复杂,一道大题下面还藏着许多尚未解决的小问题。Agent 虽然能不断写出新的证明,却很难判断究竟解决了多少关键步骤,距离最终目标还有多远。

Axiom 不得不重新调整策略,把复杂的证明拆成更小、更明确的任务,并要求 Agent 说明这些小证明如何一步步组合起来,最终得到原本需要的结论。

AI 翻出 40 年前的旧账,

还补出一条新证明

当证明进入历史文献最深处,Agent 发现了比任务调度更麻烦的事情:原来的数学论文也可能写错。

人类数学家常常省略熟悉的推理,但 Lean 要求明确写出每个前提。Axiom 统计,形式化过程中有 34 处值得关注的文献偏差需要处理,其中既有笔误、遗漏条件,也有必须重新推导的实质性问题。

一个例子出现在 Aschbacher 和 Smith 研究「拟薄群」的著作中。原文的一条引理断言两个量相等,Agent 却借助群 SL₂(5)找到反例:一个量是 1,而等式要求它是 2。把等式改成不等式,可以修正引理,但后面的推理曾依赖那个等号。团队只得扩大前面一段论证的适用范围,重新处理受影响的情况。

更大的障碍来自 1986 年 John Walter 关于「不平衡群定理」(Unbalanced Group Theorem,UGT)的研究。

UGT 是有限单群分类的重要工具。它帮助数学家利用一个群内部的特定局部结构,推断整个群可能属于什么类型。Walter 的一条关键推理默认:对特定群族进行某种操作,得到的相关单群仍属于原来的群族。

Agent 找到了反例。以 PSL₂(49)为起点,考虑其有限域自同构所诱导的对合,相关中心化子的单群成分会出现 PSL₂(7)。但后者恰好不属于 Walter 限定的群族,原来的闭包断言无法成立。

这并没有推翻 UGT 的结论,却意味着沿用这条证明路线时,有一步必须另找依据。

Axiom 为此咨询了群论专家 Richard Lyons 和 Ronald Solomon。Solomon 在 1976 年提出的极大 2-分量理论,为新路线提供了关键思路。

Agent 随后构造并形式化了一项新的群论结果「Preservation of simple tops」,证明在所需条件下,比较特定子群时能够保留相关单群结构。它被写入一篇 35 页的《The Unbalanced Group Theorem》论文,作为定理 2.3,并与其他已有结果组合,完成了分类所需的 UGT 证明。

有意思的是,形式化结束后,Axiom 的数学家又在第一代证明方法中发现了更短的路径,无需调用这条新定理也能得到目标结论。不过,新定理及其完整证明仍被保留下来,成为这场工程额外产生的数学成果。



Axiom 团队参与完成的不平衡群定理研究,其中定理 2.3「Preservation of simple tops」是此次形式化过程中得到的新数学结果。图源:论文《The Unbalanced Group Theorem》。

4310 万行 Lean 之后,

数学证明发生了什么变化?

最终,Axiom 将整个项目上传 GitHub,公开了约 4310 万行 Lean 代码。仓库中的最终分类命题,表达的是:每一个有限单群,都与清单中某个已经构造出的群同构。

项目声明最终证明不含 sorry——在 Lean 里,它是暂时跳过未完成证明的占位符。最终结果只依赖标准公理,并可由 Lean 内核逐步检查。Axiom 同时提供了交互式证明依赖图,让研究者追踪一个结论究竟依靠哪些前置定理。



Axiom 公开的有限单群分类定理最终 Lean 代码。最终结论通过调用已经形式化的底层证明得到,背后是数千万行 Lean 代码构成的证明工程。图源:Axiom Math / GitHub。

这项工作的基础也包括 Mathlib、TauCeti 和 Qiuzhen-CFSG 等已有形式化项目,其中约 120 万行来自 Qiuzhen-CFSG。人类数学家积累的研究成果、早期形式化基础设施,以及可以并行工作的 AI Agent,被放进了同一套工程流程。

对后续数学研究而言,一项关键改变是证明可以被持续维护。过去引用有限单群分类定理,背后可能牵连数百篇文献;现在,研究者可以沿着形式化的依赖链,检查具体使用了哪些定义、条件和推导。

Axiom 公开的仓库将审查状态标为团队自评。接下来,外部数学家仍可以检查形式化定义是否准确对应原命题,并审阅这项庞大工程中的数学选择。但 Lean 已经提供了另一种此前难以获得的能力:让数千万行证明的逻辑推导接受统一、机械化的检查。

回看这 24 天,最值得关注的并非 AI 写出了多长的代码,而是它开始处理一项过去高度依赖人类专家的大规模研究工作:拆解任务、追踪证明、发现旧文献中的错误,并在旧路线走不通时参与构造新证明。

数十年积累起来的数学知识,正在从散落在论文中的论证,变成可以被程序检查、复用和继续扩展的结构。Axiom 这次展示的,正是 AI 从解答单道数学题,走向参与整套数学理论建设的一次具体尝试。

参考文献:

https://x.com/axiommathai/status/2115089794867040584

https://github.com/AxiomMath/CFSG/tree/main

https://hexagonmath.org/2610.00575

https://cfsg.axiommath.ai/

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