07 大语言模型的推理能力从何而来

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目录

• 1.“深度思考”语言模型的特色
• 2.打造“推理”语言模型的方法
  • 2.1 更强的思维链(Chain-of-Thought,CoT)
  • 2.2 给模型推论工作过程
    • 2.2.1 训练Verifier
    • 2.2.2 Process Verifier
  • 2.3 教模型推理过程（Imitation Learning）
    • 2.3.1如何获取reasoning process
    • 2.3.2 让模型有纠错能力
  • 2.4 以结果为导向学习推理（Reinforcement Learning,RL）
    • 2.4.1 DeepSeek-R1的产生
    • 2.4.2 Foundation Model很重要
• 3.别让推理LLM“想太多”
  • 3.1 Chain-of-Draft
  • 3.2 简化推论工作流程
  • 3.3 选取教师模型最短的reasoning process
  • 3.4 RL中如何控制推理长度
• 4.如何评估LLM的推理能力
  • 4.1 模型的答案可能是“记忆”出来的？
  • 4.2 ARC-AGI
  • 4.3 Chatbot Arena

1.“深度思考”语言模型的特色

• 当今深度思考语言模型（如ChatGPT o1/o3/o4、DeepSeek R1、Gemini 2、Claude 3.7 Sonnet）等，在给定输入问题时，除了给出答案，还会有一段推理（Reasoning）的过程，包括验证答案（Verification）、探索其他可能（Explore）、规划（Planning）
  

2.打造“推理”语言模型的方法

本堂课介绍四种方法：其中前两种不需微调参数，后两种需要.

2.1 更强的思维链(Chain-of-Thought,CoT)

有两种达到CoT的方式：

• 1.Few-shot Cot:即给模型解题范例，再问问题
• 2.Zero-shot Cot: 不给模型范例，直接要求一步步输出答案
  如今深度思考模型在做的事与CoT类似，称作Long CoT,以上两种统称为Short CoT.
  

2.2 给模型推论工作过程

• 对于较强模型，同一个问题只要增加模型尝试次数，其产生过正确答案的几率便会上升.
  

• 因而，可以要求模型提供多个输出，并通过Majority Vote（多数决策）或Confidence（置信度计算）的方法选出正确答案

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2.2.1 训练Verifier

• 还可以通过Best-of-N方法：即训练一个同为语言模型作为Varifier来验证答案.
  

2.2.2 Process Verifier

• 但只对结果进行验证效率过低，我们希望在推理中间过程便能进行验证.可以使用Process Verifier，要求模型不直接给输出，而是依次给出步骤，经过验证通过后再继续产生下去.
  对于一般训练资料，我们只拥有问题与答案，不一定能判断出步骤是否准确.那如何得到一个Process Verifier呢？

• 对于能输出正确答案的每一个step，我们都让其往下输出多条路径，用古典概型的方法估算该step的正确率.再把对应step交给Process Verifier进行学习.
  

• Process Verifier评估步骤给出的是分数，那要如何界定threshold呢？提供Beam Search的方法作参考，即每次只保留N个（或前25%等）最好的步骤，其他不再考虑.
  

2.3 教模型推理过程（Imitation Learning）

• 该方法本质如图所示，通过在训练资料加入Reasoning的内容来让模型学习.
  

2.3.1如何获取reasoning process

• 而难点在于，如何获取reasoning process的资料.人为标注费时费力，可以采取让其他语言模型输出CoT，把答案正确的reasoning process纳入训练资料. 但显而易见的弊端是：答案正确，过程不一定正确.因而我们应结合上述提到过的树状搜寻的方法，对step进行展开，用process verifier逐步验证，这样得到的reasoning process正确率才有一定可信度.
  

2.3.2 让模型有纠错能力

• 如果只给模型正确的过程与结果，模型便会认为不论如何，其推理过程一定是正确的.在推论出错情况下，其无法找出其自身的问题，会“一步错步步错”
• 解决方法：可以在训练资料中通过深搜，加进一些错误的搜索过程. 在遇到认为是错误步骤时，让模型能够回溯到上一步骤，继续尝试另一路径（可插入Verifier回馈，加入连词等让推理过程看起来顺畅而不跳跃）
  

2.4 以结果为导向学习推理（Reinforcement Learning,RL）

• 与第三种方法不同，RL更侧重结果，几乎根据最终答案来进行训练：
  

2.4.1 DeepSeek-R1的产生

• Base模型经过RL后得到能产生Reasoning的R1-Zero模型，但其Reasoning过程难以理解，需经过人工转化. 将转化后的资料以及小部分通过Few-shot CoT和Supervised CoT获得的资料对Base模型进行Imitation Learning得到Model A，再经过RL得到具备初步Reasoning能力的Model B.
  

• 其次，利用DeepSeek-v3作为Verifier，让Model B生成60万笔资料（其中加入一些v3 Self-output的资料），利用这些资料对Base模型进行Imitation Learning得到Model C，再对Model C进行RL便得到了DeepSeek-R1.
  

2.4.2 Foundation Model很重要

• RL本质是强化一个模型原有的能力，较弱模型不适用RL
  

3.别让推理LLM“想太多”

• 依据问题长度，将问题分为5组，将问题交给具有推理能力的语言模型，如图所示，越长的问题，回答长度也越长,但答案的正确率却没有因此变高. 因此，模型“想太多”不是一件好事，会耗费额外算力.
  

3.1 Chain-of-Draft

• 区别于让模型直接给出答案（Stander）和让模型给出Chain-of-Tought，Chain-of-Draft让模型逐步思考，但通过限制输出上限让其输出类似草稿. 实验证明，CoD大多情况能比直接输出答案正确率更高.
  

3.2 简化推论工作流程

可以通过控制sample数目或者缩小beam search范围、缩小展开的树状结构等方法简化工作流程.

3.3 选取教师模型最短的reasoning process

• 将同一个问题问具备推理能力的教师模型多次，在回答正确的情况下选取最短的reasoning process作为训练资料.
  

3.4 RL中如何控制推理长度

• 在RL的训练过程中，模型只关注答案的正确而不关注reasoning process，可能输出超长的推理过程，那如何控制推理长度呢？一种看法是把长度上限纳入RL的reward中，但某些复杂的问题本身便需要较长的推理长度，定绝对的标准过于死板.可以采用相对的标准，即让模型输出多个答案，取长度平均值，只有低于平均值的答案才能得到正向的reward.
  

• 通过优化，也可以让reward综合考虑绝对长度和正确率来控制.
  

4.如何评估LLM的推理能力

4.1 模型的答案可能是“记忆”出来的？

• GSM8K是简单数学问题的资料集，如图论文中将问题中的与解题无关的symbol（如姓名，关系，变量值等）给修改后，多数模型表现出来的正确率均有下降.
  

4.2 ARC-AGI

• ARC-AGI（Abstraction and Reasoning Corpus for Artificial General Intelligence）是一种通过抽象题目（如图中找图形规律）来衡量模型推理能力的基准测试集，能有效规避模型“记忆”的问题，真正考验模型习得的推理能力
  

4.3 Chatbot Arena

• Chatbot Arena是一个模型评估平台，其使用Elo Score评比机制：即每个模型$M_K$都有一个战力分数${\beta }_K$，模型两两对战时，模型i应该模型j的胜率$E_{i,j}$会取决于战力差距及模型实力外因素${\beta }_0$（如图的sigmoid fuction），且实力外因素有时能起到决定性影响