科普之旅：大语言模型的思维链

大数据文摘 · 公众号 · 大数据 · 2024-07-15 14:00

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大数据文摘受权转载数据派THU

作者：胡赟豪
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在这个信息爆炸的时代，你是否曾幻想过与机器流畅交谈，或是让AI助你笔下生花，创作出惊艳的文章？这一切，都离不开大语言模型的神奇魔力。今天，让我们一起揭开这层神秘的面纱，走进大语言模型的科普奇幻之旅！

一背景

自大语言模型兴起以来，人们通过不断地增加参数量，使模型的效果得到一次又一次的跃升。但是，单纯的增加参数量只能让模型在阅读理解、事实确认等方面提升显著，在逻辑推理、数学推理等复杂推理问题方面收益却不大。

针对这一问题，一个直观的改良方法就是微调（Finetune），通过引入大量“问题+答案”形式的样本，对模型进行训练迭代参数，从而让模型专门提升这方面的能力。然而，这种方式在复杂推理等问题上带来的效果依然有限，且需要大量的训练样本。看起来模型在大量学习样本之后，似乎也并没有获得推理的能力。究竟要怎样才能让模型真正学会推理呢？

二思维链是什么？

既然模型不能直接从“问题+答案”中学习到推理逻辑，那么如果我们给出“问题+推理步骤+答案”，告诉模型最后的结果是怎么一步步推导出来的，是不是模型就可以学会了呢？

从这个想法出发，2022年谷歌发布论文《Chain-of-Thought Prompting Elicits Reasoning in Large Language Models》，提出思维链（Chain of Thought，CoT）的方法，成功大幅提高了模型复杂推理的能力。这一方法迅速得到了广泛的研究和应用，至今已成为大模型提示词（Prompting）工程的主流技术之一。

让我们先来看一下论文中给出的思维链的案例：

图片翻译自论文：《Chain-of-Thought Prompting Elicits Reasoning in Large Language Models》 arxiv.org/pdf/2201.11903‍

首先，左侧的标准做法中，模型的输入部分增加了一个问答的案例供模型参考（不更新模型参数），再给出模型需要回答的问题，这被称为One-shot方法，如果给出多个案例的话则称为Few-shot. 这种做法的好处是只需要极少的样本就能让模型执行特定的任务，避免了收集大量样本来对模型进行微调。对应地，右侧思维链的做法中，也使用了One-shot方法，区别在于案例的回答部分除了给出答案以外，还给出了中间的计算过程。

基于这两种不同的输入，模型给出的输出也截然不同。普通做法中，模型像案例一样只是简单给出了一个计算结果，并且算错了。但在思维链的做法中，模型模仿案例的做法先给出了中间计算过程，并通过将问题拆成两个步骤分别计算，成功得出了正确的答案。

所以，只要给出少量含有思维链（推理过程）的案例，就可以既不用花费成本去收集大量样本，又能使大语言模型在复杂问题处理能力上得到显著的提升。甚至后来有人发现，即使不添加案例，只是在提问中增加一句“让我们一步步思考”（Let’s think step by step），也能提升模型的推理能力，这被称为Zero-shot方法。

三思维链的优势

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思维链在许多复杂推理的问题上的表现都很令人惊喜。除了在例子中展示的数学问题以外，思维链在常识推理、符号推理等问题上的解决率（Solve rate）都远超过标准做法。在部分问题上，思维链的效果超过了有监督学习的历史最佳表现，甚至在体育常识推理数据集中超过人类。并且，从实验数据来看，思维链在更复杂的问题上提升效果更为显著。

除了问题解决率的提升外，思维链技术还有着其他的一些优势。其中最重要的是在思维链提问下，模型会给出推理过程，这样可以使我们理解模型给出最后结果的逻辑。如果模型的最后答案出错了，我们也可以检查出来模型究竟是在哪一个步骤上出错。此外，思维链能将问题拆解成多个子问题，从而让模型根据问题的复杂程度分配计算资源。思维链只需要用自然语言描述，这也意味着它能够快速被应用在众多不同类型的问题上。

四思维链为什么有效？

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在思维链的作用下，模型能够进行一步一步的推理，并给出最终的答案，这不是正如人类的思考过程一样吗？是不是模型至此已经真正开始推理和思考了呢？这个问题至今还并不明朗。有可能思维链只是让输入的提示词更复杂了，使得模型不得不使用更多计算资源来进行处理，从而得到了更好的结果。有可能思维链中新增的内容引导模型能够更好地找到了相关的知识。也有可能模型自身已经有推理的能力了，只是思维链技术强迫模型进行了推理。

2024年4月发布的纽约大学论文《Let’s Think Dot by Dot: Hidden Computation in Transformer Language Models》中发现，如果将思维链的逻辑推理部分换成一系列单纯的点“.”，同样可能提升模型的效果，不过只能在问题的复杂度在一定范围内时才有效。但使用思维链时，除了在这些问题上可以获得更大的提升外，还可以在更复杂的问题上获得提升。这能够说明思维链带给模型的提升，至少不仅是通过提升计算量达成的，还应当有其他方面的作用。

五思维链的后续发展

从2022年思维链正式提出，到现在短短两年时间里，已经涌现出了大量的衍生技术。

通过将思维链中的链结构换成树结构，可以构造出思维树（Tree of Thought，ToT），让模型在推理时考虑更全面的情况，从而得到更好的效果。模型在推理时可以将问题拆解为多个子问题分别处理，也可以沿着树结构回退到之前的推理节点上。在推理过程中，也可以引入深度优先或广度优先等搜索算法、蒙特卡罗方法、并行计算等方法来提升效率。进一步引入循环等结构后，还可以构造出思维图（Graph of Thought，GoT）。这些不同结构统称为广义思维链（XoT），一般来说更复杂的结构能够处理更复杂的问题，但构造的成本也会更高。

XoT的提示词构造也出现了多种不同的方法。经典的人工构造法虽然效果比较好，但成本还是偏高。自动构造法则让模型自己学习从问题出发生成思维链案例，这种方法成本极低，但由于缺少监督信号，结果非常不稳定。半自动构造法基于少量的人工样本来衍生更多样本，成本和效果则均介于前两者之间。

此外，还有一些研究致力于通过提高推理过程的正确性，来提高思维链最后结果的准确性。例如，通过专门设置验证模型来检查推理过程，可以及时发现推理错误并进行改进。在推理过程中遇到对事实性信息强依赖的任务时，也可以让模型连接到外部的知识图谱或其他数据库等进行查询，从而及时纠正模型可能产生的事实性错误。

六思维链的未来

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思维链相关技术当前仍在快速的发展和迭代当中，接下来思维链可能有四个关键的发展方向：多模态输入、可信推理、理论基础和AI agent应用。

1.多模态输入：当前的思维链还是以文本输入为主，如果能够成功将思维链应用在多模态的输入上，其适用的范围将进一步扩大。

2.可信推理：当前思维链的推理准确性依然有提升空间。这其中，检测推理的错误或不一致性，及时进行正确的调整都很重要。

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