AI的拉格朗日點

林一平
2025-08-08

拉格朗日點(Lagrange Point)這一概念源自十八世紀法國數學家拉格朗日(Joseph-Louis Lagrange, 1736~1813)的研究成果,是天體力學中的一項重要發現。它描述在2個天體的引力作用下,存在5個特殊的位置,若在這些點上放置第三個質量極小的物體,其所受的引力與離心力可達成動力學平衡,使其能相對穩定地存在於該位置。

此理論不僅推進太空工程的設計思維,也為其他領域提供有力的數學比喻工具,包括當代人工智慧(AI)在內。

拉格朗日點的發現,是三體問題(three-body problem)研究的副產品。

三體問題試圖描述3個天體在萬有引力下的運動軌跡,其動態行為極其複雜,往往難以解析。但拉格朗日在研究太陽-地球-月球系統時發現,若第三個天體質量極小,則在特定幾何配置下,存在5個位置(L1至L5),可使其與2個主體保持穩定相對位置。其中,L1、L2與L3位於主體連線上,L4與L5則分別構成與主體形成等邊三角形的配置。此發現迄今被應用於太空望遠鏡的部署,如韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope)即位於太陽-地球系統的L2點。

若我們將拉格朗日點的「多力平衡」視為一種數學與概念上的隱喻,則其原理可為AI系統設計帶來啟發。

以多智能體系統(multi-agent systems)為例,包括無人機編隊、機器人協作群或自駕車車隊,每個智能體在分散環境中運作時,必須在效率、資源與安全性之間取得平衡。這種多方力量的協作動態,與拉格朗日點中各力達成穩定的概念有著形式上的相似。儘管這不是直接的物理應用,這種比喻可協助設計具有「動態穩定性」的協作演算法,尤其是在非中心化系統中提供有效的架構指引。

此外,在深度學習領域中,神經網路訓練的過程常被視為一種優化問題,在企圖複雜的代價函數空間中尋找最小值。這一過程雖然主要依賴如梯度下降法等技術,但若從拉格朗日乘數法(Lagrange multipliers)概念層面延伸,也可將其比作在多重力量(誤差項、正規化項、約束條件)拉扯下的一種「力的平衡」狀態。

拉格朗日點和拉格朗日乘數法在名稱上類似,但兩者分屬不同的數學領域,前者為天體力學中的位置解,後者為約束優化中的解法工具,讀者切勿混淆。

在面對多目標學習與非線性複雜系統時,AI模型往往須處理如資源分配、效能與公平性之間的矛盾。在這些問題中,靈活引入如「穩定結點」的設計理念,有助於在看似對立的力量中尋求均衡策略。雖非直接援用拉格朗日點的數學公式,但這種「穩定中求變」的設計邏輯與其精神相通。

對於混沌系統的模擬應用也是值得一提的面向。雖然拉格朗日點本身並非混沌系統的典型例子,但在研究如氣候模型或金融市場等高度非線性的動態系統時,AI可從天體力學所強調的初始條件敏感性中獲得方法論上的警示與啟發。AI在這類系統中的應用,依賴高精度的預測能力與動態調適策略,而類比於拉格朗日點的穩定架構可成為設計上的哲學參照。

當AI逐步融入人類決策過程,甚至走向「人機協同智慧」的階段,如何在人與機器之間設計一種動態平衡的權責配置,將成為重要議題。例如,在醫療領域中,AI可以像L1點一樣,處於資訊匯聚與快速計算的前線,協助提供診斷建議,醫師則保持最終判斷權,確保人類倫理與價值觀的主導地位。這樣的設計不僅可提升效率,也兼顧透明性與責任歸屬,實現「穩定而不僵化」的人機合作模式。

現為國立陽明交通大學資工系終身講座教授暨華邦電子講座,曾任科技部次長,為ACM Fellow、IEEE Fellow、AAAS Fellow及IET Fellow。研究興趣為物聯網、行動計算及系統模擬,發展出一套物聯網系統IoTtalk,廣泛應用於智慧農業、智慧教育、智慧校園等領域/場域。興趣多元,喜好藝術、繪畫、寫作,遨遊於科技與人文間自得其樂,著有<閃文集>、<大橋驟雨>。
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