Forskere skaber en letanvendelig matematikbevidst søgegrænseflade

Forskere ved Rochester Institute of Technology har udviklet MathDeck, en online søgegrænseflade, der giver enhver mulighed for nemt at oprette, redigere og slå sofistikerede matematiske formler op på computeren.

Skabt af et tværfagligt team på mere end et dusin fakulteter og studerende, MathDeck sigter mod at gøre matematiknotation interaktiv og let at dele, snarere end en hindring for matematiske studier og udforskning. Den matematikbevidste søgegrænseflade er gratis for offentligheden og tilgængelig til brug på mathdeck.cs.rit.edu.

Forskere sagde, at projektet stammer fra en voksende offentlig interesse for at kunne foretage websøgninger med matematiske søgeord og formler. Imidlertid, for mange mennesker, det kan være svært at udtrykke sofistikeret matematik præcist uden en forståelse af det videnskabelige markup-sprog LaTeX.

Med MathDeck, brugere kan nu indtaste og redigere formler på flere måder, inklusive håndskrift, upload af et typesæt formelbillede og tekstinput ved hjælp af LaTeX. Brug af billedbehandlings- og maskinlæringsteknikker, grænsefladen er i stand til at genkende formelbilleder og håndtegnede symboler.

"Med sådan et værktøj i hånden, det vil være meget nemmere for eksperter og ikke-eksperter at indtaste komplicerede formler og symboler præcist og få søgemaskinerne til at finde matematisk relevante svar hurtigt og effektivt, " sagde Anurag Agarwal, lektor på RITs Skole for Matematiske Fag. "Det kan også hjælpe folk fra forskellige discipliner til at samarbejde, dele deres resultater og udføre søgninger mere produktivt."

MathDeck er en del af et større projekt kaldet MathSeer, som understøttes af næsten $1, 000, 000 i finansiering fra National Science Foundation og Alfred P. Sloan Foundation. MathSeer ledes af Richard Zanibbi, professor i datalogi ved RIT, Agarwal, Penn State University professor C. Lee Giles og University of Maryland, College Park professor Douglas W. Oard.

"Målet med MathSeer er at producere nye teknologier for at give 'matematiksøgning til masserne' " sagde Zanibbi, som også er direktør for RIT's Document and Pattern Recognition Lab i Golisano College of Computing and Information Sciences. "Dette involverer at skabe nye søgegrænseflader, AI-algoritmer til håndskrevet og billedinput, og søgemaskineteknologier, der bedre understøtter formler i forespørgsler."

For at skabe en nyttig grænseflade til MathDeck, teamet skulle bedre forstå brugerens søgeadfærd, herunder hvordan brugere udtrykker deres forespørgsel, og hvilke typer dokumenter de leder efter. De bemærkede også, at i matematik, udtryk og symboler har ofte flere betydninger og sammenhænge.

"For at tackle disse kompleksiteter, vi brugte vores viden og ekspertise inden for matematik til at gøre systemet 'bevidst' om de matematiske nuancer, så den kan fortolke og repræsentere den matematiske sammenhæng mellem de forskellige objekter i formler med høj nøjagtighed, hvilket resulterer i effektiv søgning, " sagde Agarwal.

Grænsefladen vil også hjælpe brugere med at spare tid, fordi de kan gemme deres sessioner og yndlingsformler. Brugere kan manipulere og gemme formler som chips, så de ikke behøver at indtaste formlen igen.

"At indtaste matematiske formler er en stor udfordring fra brugerens perspektiv, som matematik typisk udtrykkes i et todimensionelt rum, mens skrivning kun producerer en sekvens af tegn, " sagde Gavin Nishizawa, en datalogi kandidatstuderende fra Aiea, Hawaii, som var hovedudvikler på projektet.

MathDeck indeholder en autofuldførelsesfunktion til formler og nøgleord. Hvis brugere søger efter et populært symbol eller en formel, de vil sandsynligvis finde et enhedskort. Kortet viser formlen, navnet på dets tilknyttede koncept og en kort beskrivelse.

"I formelsøgning, der er matematikspecifikke udfordringer, inklusive "ækvivalente" formler med forskellige variabelnavne eller termer i en anden rækkefølge, " sagde Nishizawa, som også afsluttede en softwareingeniøruddannelse på RIT i 2018. "For formel autofuldførelse, MathDeck søger efter enhedskort ved at genkende en formels struktur, overføre sin strukturrepræsentation til et neuralt netværk, og derefter producere en indlejringsvektor, der sammenlignes med formler i entitetskortene."

Når det bliver tid til at sende en forespørgsel, brugere kan vælge mellem 11 søgemaskiner, inklusive standard søgemaskiner, som Google, og mere matematik-fokuserede systemer, herunder Wolfram Alpha og Math Stack Exchange.

I fremtiden, Zanibbi sagde, at holdet planlægger at udvide MathDeck. De skaber teknikker til at gøre formler søgbare i store PDF-samlinger og arbejder på at forbedre formel- og tekstsøgning, samt forbedring af formelgenkendelse i håndskrift og billeder.

Zanibbi, Agarwal, Oard og RIT computing og informationsvidenskab Ph.D. studerende Behrooz Mansouri kører også ARQMath, en international opgave til at benchmarke og forbedre matematikbevidste søgeteknologier.

"Der er meget kompleksitet omkring matematik, så at gøre brugen af ​​matematik mere intuitiv kan hjælpe med at løse mange problemer inden for matematik og naturvidenskab, " sagde Nishizawa. "Forskning på dette område kan have en betydelig positiv indvirkning på ting som matematikkompetencer, at forstå matematiske ideer og forbedre folks livskvalitet."