This paper is the second in a series of studies on developing efficient artificial intelligence-based approaches to pathfinding on extremely large graphs (e.g. $10^{70}$ nodes) with a focus on Cayley graphs and mathematical applications. The open-source CayleyPy project is a central component of our research. The present paper proposes a novel combination of a reinforcement learning approach with a more direct diffusion distance approach from the first paper. Our analysis includes benchmarking various choices for the key building blocks of the approach: architectures of the neural network, generators for the random walks and beam search pathfinding. We compared these methods against the classical computer algebra system GAP, demonstrating that they "overcome the GAP" for the considered examples. As a particular mathematical application we examine the Cayley graph of the symmetric group with cyclic shift and transposition generators. We provide strong support for the OEIS-A186783 conjecture that the diameter is equal to n(n-1)/2 by machine learning and mathematical methods. We identify the conjectured longest element and generate its decomposition of the desired length. We prove a diameter lower bound of n(n-1)/2-n/2 and an upper bound of n(n-1)/2+ 3n by presenting the algorithm with given complexity. We also present several conjectures motivated by numerical experiments, including observations on the central limit phenomenon (with growth approximated by a Gumbel distribution), the uniform distribution for the spectrum of the graph, and a numerical study of sorting networks. To stimulate crowdsourcing activity, we create challenges on the Kaggle platform and invite contributions to improve and benchmark approaches on Cayley graph pathfinding and other tasks.


翻译:本文是系列研究的第二篇,旨在开发基于人工智能的高效路径规划方法以处理超大规模图(例如 $10^{70}$ 个节点),重点关注凯莱图及其数学应用。开源项目 CayleyPy 是我们研究的核心组成部分。本文提出了一种新颖的方法,将强化学习策略与首篇论文中更直接的扩散距离方法相结合。我们的分析包括对该方法关键构建模块的各种选择进行基准测试:神经网络架构、随机游走生成器以及波束搜索路径规划算法。我们将这些方法与经典计算机代数系统 GAP 进行比较,结果表明在所考察的示例中,这些方法“超越了 GAP”。作为一个具体的数学应用,我们研究了以循环移位和对换生成元构建的对称群凯莱图。通过机器学习与数学方法,我们为 OEIS-A186783 猜想(即图的直径等于 n(n-1)/2)提供了有力支持。我们识别出猜想中的最长元素,并生成了所需长度的分解式。通过提出具有给定复杂度的算法,我们证明了直径的下界为 n(n-1)/2-n/2,上界为 n(n-1)/2+ 3n。我们还基于数值实验提出了若干猜想,包括对中心极限现象(其增长近似服从冈贝尔分布)、图谱均匀分布的观测,以及对排序网络的数值研究。为促进众包研究活动,我们在 Kaggle 平台创建了挑战任务,邀请各界贡献改进方案并对凯莱图路径规划及其他任务的方法进行基准测试。

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