NeurIPS 2024 | 可信大模型新挑戰(zhàn)：噪聲思維鏈提示下的魯棒推理，準(zhǔn)確率直降40%

作者：機(jī)器之心 2024-12-12 17:30:00

已有的魯棒研究大多側(cè)重于噪聲問(wèn)題（Noisy Questions），然而，LLM 在噪聲思維鏈（Noisy Rationales）下的推理還沒(méi)有得到充分的探究。

當(dāng)前，大語(yǔ)言模型（Large Language Model, LLM）借助上下文學(xué)習(xí)（In-context Learning）和思維鏈提示（Chain of Thoughts Prompting），在許多復(fù)雜推理任務(wù)上展現(xiàn)出了強(qiáng)大的能力。

然而，現(xiàn)有研究表明，LLM 在應(yīng)對(duì)噪聲輸入時(shí)存在明顯不足：當(dāng)輸入的問(wèn)題包含無(wú)關(guān)內(nèi)容，或者遭到輕微修改時(shí)，模型極容易受到干擾，進(jìn)而偏離正確的推理方向。如圖 1 左所示，Q1 中的「We know 6+6=12 and 3+7=10 in base 10」是關(guān)于 base-9 計(jì)算的噪聲信息，該信息容易誤導(dǎo)模型輸出錯(cuò)誤的結(jié)果。

圖 1. 噪聲問(wèn)題（Noisy Questions）和噪聲思維鏈（Noisy Rationales）的示例

已有的魯棒研究大多側(cè)重于噪聲問(wèn)題（Noisy Questions），然而，LLM 在噪聲思維鏈（Noisy Rationales）下的推理還沒(méi)有得到充分的探究。在本工作中，我們將噪聲思維鏈定義為：包含不相關(guān)或者不準(zhǔn)確推理步驟的思維鏈，如圖 1 右側(cè) R1 中的「13 + 8 = 21」步驟，對(duì)于 base-9 計(jì)算來(lái)說(shuō)，是錯(cuò)誤的推理步驟。

這些噪聲思維鏈通常源自 LLM 的實(shí)際應(yīng)用，比如眾包平臺(tái)、對(duì)話系統(tǒng)、機(jī)器生成數(shù)據(jù)等場(chǎng)景，人類和機(jī)器在推理中都會(huì)不可避免地犯錯(cuò)，從而產(chǎn)生噪聲思維鏈。因此，噪聲思維鏈的實(shí)際影響和技術(shù)挑戰(zhàn)不容小覷。當(dāng)前，我們?nèi)匀徊磺宄?LLM 在面對(duì)噪聲思維鏈提示時(shí)的魯棒性能如何，也缺少有效的應(yīng)對(duì)策略。因此，非常有必要構(gòu)建一個(gè)新的數(shù)據(jù)集，用于系統(tǒng)評(píng)估當(dāng)前 LLM 在噪聲思維鏈場(chǎng)景下的魯棒性，以及驗(yàn)證相應(yīng)的魯棒推理策略。

對(duì)此，我們構(gòu)建了 NoRa 數(shù)據(jù)集，并進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)評(píng)測(cè)。結(jié)果表明，GPT-3.5-Turbo、Gemini-Pro、Llama2-70B 和 Mixtral-8x7B 等開(kāi)源或閉源 LLM 都極容易受到噪聲思維鏈的影響。其中，GPT-3.5-Turbo 的準(zhǔn)確率至多可降低 40.4%。因此，我們也呼吁大家更多地關(guān)注大模型推理的魯棒性問(wèn)題。

我們的主要貢獻(xiàn)有如下三點(diǎn)：

新問(wèn)題：對(duì)當(dāng)前流行的思維鏈提示技術(shù)，我們提出了尚未充分探究的噪聲思維鏈問(wèn)題（Noisy Rationales），并給出了詳細(xì)的問(wèn)題定義和統(tǒng)一的問(wèn)題建模；
新數(shù)據(jù)集：我們構(gòu)建了 NoRa 數(shù)據(jù)集，用于評(píng)測(cè) LLM 在噪聲思維鏈提示下的推理魯棒性。我們使用 NoRa 數(shù)據(jù)集對(duì) LLM 展開(kāi)系統(tǒng)評(píng)估，揭露了 LLM 推理的魯棒性不足，數(shù)據(jù)去噪能力非常有限的問(wèn)題；
新方法：我們?cè)O(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單有效的方法（CD-CoT），基于單個(gè)正確的思維鏈?zhǔn)纠ゼm正噪聲思維鏈并完成推理，并通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的有效性。

接下來(lái)將從新問(wèn)題、新數(shù)據(jù)集、新方法這三個(gè)角度，簡(jiǎn)要地介紹我們關(guān)于大模型推理魯棒性的研究結(jié)果，相關(guān)論文已發(fā)表于 NeurIPS 2024 會(huì)議。

論文標(biāo)題：Can Language Models Perform Robust Reasoning in Chain-of-thought Prompting with Noisy Rationales?
論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/2410.23856
代碼鏈接：https://github.com/tmlr-group/NoisyRationales
slides 鏈接：https://andrewzhou924.github.io/_pages/data/slides-NoRa.pdf

新問(wèn)題：Noisy Rationales

思維鏈可以有效提升大模型的推理能力 [1]。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)給出帶有中間推理步驟的示例，LLM 可以很快地適應(yīng)到新任務(wù)上，而無(wú)需進(jìn)行參數(shù)修改（見(jiàn)圖 2 右上角）。現(xiàn)有工作中，通常假設(shè)思維鏈包含清楚且正確的推理步驟，但實(shí)際情況可能并非如此。

圖 2. 各種 setting 下的模型輸入

目前，已經(jīng)有許多工作探索了 Noisy Questions 對(duì) LLM 推理性能的影響（見(jiàn)圖 2 左下角），揭示了 LLM 對(duì)輸入中微小修改的敏感性 [2,3]。

然而，在人工標(biāo)注或機(jī)器生成的思維鏈中，可能會(huì)包含一些與問(wèn)題不相關(guān)或不準(zhǔn)確的推理步驟（見(jiàn)圖 2 右下角），這些噪聲思維鏈可能會(huì)對(duì)推理性能產(chǎn)生負(fù)面影響，但目前 LLM 對(duì)噪聲思維鏈（Noisy Rationales）的魯棒性依舊未知。

因此，本文提出了新的研究問(wèn)題 Noisy Rationales：當(dāng)示例的推理步驟中包含無(wú)關(guān)的或者不準(zhǔn)確的內(nèi)容時(shí)，LLM 的推理魯棒性如何？對(duì)這一問(wèn)題的探索，有助于深入理解和提升 LLM 在非完備場(chǎng)景中的推理能力。

新數(shù)據(jù)集：NoRa

為了評(píng)估 LLM 在噪聲思維鏈下的魯棒性，我們構(gòu)建了 NoRa（Noisy Rationales）數(shù)據(jù)集，NoRa 涵蓋了 3 種推理任務(wù)類型：數(shù)學(xué)推理、符號(hào)推理和常識(shí)推理，共包含 26391 個(gè)問(wèn)題以及 5 種子任務(wù)。

一條思維鏈（Rationale）包含多個(gè)連續(xù)的推理步驟（Thoughts）；噪聲思維鏈（Noisy Rationale）包含的噪聲推理步驟（Noisy Thoughts）被定義為如下兩類（示例見(jiàn)圖 3）：

不相關(guān)噪聲（Irrelevant Thoughts）是指對(duì)解決問(wèn)題無(wú)用的信息，如在推斷親屬關(guān)系時(shí)討論探討兄弟姐妹之間的基因重疊情況；
不準(zhǔn)確噪聲（Inaccurate Thoughts）則是推理中的事實(shí)性錯(cuò)誤，如在特定進(jìn)制計(jì)算中使用錯(cuò)誤的計(jì)算規(guī)則。

圖 3. NoRa 數(shù)據(jù)集的樣本

在構(gòu)建數(shù)據(jù)集時(shí)，我們通過(guò)插入 Noisy Thoughts 來(lái)生成噪聲思維鏈，這些噪聲僅影響推理鏈的細(xì)節(jié)，而不改變問(wèn)題和最終答案的正確性。此外，我們使用不同的噪聲比例（Noise Ratio，即 Noisy Thoughts 占所 Thoughts 的比例，如 0.3、0.5、0.8）來(lái)控制任務(wù)的困難程度，Noise Ratio 越大任務(wù)難度也越大。NoRa 數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計(jì)信息如圖 4 所示。

圖 4. NoRa 數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計(jì)信息

NoRa 數(shù)據(jù)集測(cè)評(píng)結(jié)果

我們以 GPT-3.5-Turbo 為 base model，測(cè)試了其在 NoRa 上的表現(xiàn)，并且對(duì)比了多種去噪方法。這些去噪方法可以分為兩類：

自我糾正方法（Self-correction）：包括 Intrinsic Self-correction (ISC) [4] 和 Self-polish (SP) [5]；
自我一致性方法（Self-consistency）：包括 SmoothLLM (SM) [6]，Self-denoise (SD) [7] 和 Self-consistency (SC) [8]。

圖 5. 各種去噪方法在 NoRa 數(shù)據(jù)集上的測(cè)評(píng)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖 5）表明：

無(wú)論采取哪種現(xiàn)有方法，LLM 都會(huì)受到噪聲思維鏈的嚴(yán)重影響。具體來(lái)說(shuō)，存在不相關(guān)噪聲時(shí)，各方法的性能下降了 0.2% - 25.3%；存在不準(zhǔn)確噪聲時(shí)，各方法的性能下降了 0.1% - 54.0%；
在 NoRa 的大多數(shù)任務(wù)中，自我糾正方法的表現(xiàn)不佳；
自一致性方法可以在一定程度上緩解噪聲的影響，但無(wú)法做到真正的數(shù)據(jù)去噪。

此外，我們還進(jìn)行了各種消融研究，來(lái)探索不同因素對(duì) NoRa 數(shù)據(jù)集評(píng)估結(jié)果的影響（見(jiàn)圖 6），我們發(fā)現(xiàn)：

調(diào)整溫度系數(shù)可以改善模型在噪聲思維鏈下的推理性能；
使用更多的噪聲示例可以提高大多數(shù)任務(wù)的推理性能；
不同的大語(yǔ)言模型普遍容易受到噪聲思維鏈的影響。

圖 6. 消融實(shí)驗(yàn)：(左) 溫度系數(shù)對(duì)性能的影響；(中) 示例個(gè)數(shù)對(duì)性能的影響；(右) 各種模型的性能

新方法：CD-CoT

根據(jù)測(cè)評(píng)結(jié)果，大語(yǔ)言模型在應(yīng)對(duì)噪聲思維鏈提示時(shí)，其自身的去噪能力非常有限；即便使用自我糾正或自一致性方法，效果仍不理想。

因此，我們認(rèn)為有必要引入外部監(jiān)督信號(hào)來(lái)增強(qiáng)模型魯棒性，且這種監(jiān)督信號(hào)既要足以實(shí)現(xiàn)去噪，又要在實(shí)際應(yīng)用中切實(shí)可行。對(duì)此，我們提出了一種簡(jiǎn)單有效的去噪推理方法， CD-CoT（Contrastive Denoising with Noisy Chain of Thoughts）。

CD-CoT 借鑒了對(duì)比學(xué)習(xí)的思路，通過(guò)讓 LLM 顯式地對(duì)比有噪和干凈的思維鏈，從而識(shí)別出噪聲信息。方法主要包括四個(gè)關(guān)鍵步驟，步驟 1&2 進(jìn)行顯式的去噪，步驟 3&4 進(jìn)行精細(xì)推理并獲得最終答案。

四個(gè)步驟具體如下：

改寫思維鏈：借助一個(gè)干凈的思維鏈?zhǔn)纠龑?dǎo) LLM 通過(guò)對(duì)比改寫和糾正噪聲思維鏈，并生成多個(gè)改寫的思維鏈（見(jiàn)圖 7 step1）；
選擇思維鏈：通過(guò)答案匹配，篩選出改寫后答案不變的思維鏈，形成精煉的候選集；再?gòu)闹须S機(jī)選取一定數(shù)量的思維鏈，用于后續(xù)的推理（見(jiàn)圖 7 step2）；
探索推理鏈：將選取的思維鏈排列成不同的上下文，與目標(biāo)問(wèn)題一同輸入給 LLM，并采用較高的溫度參數(shù)進(jìn)行多次重復(fù)推理，以探索多樣的推理路徑（見(jiàn)圖 8 step3）；
答案投票：將所有得到的答案進(jìn)行投票，得到最終答案（見(jiàn)圖 8 step4）。

完整的 CD-CoT 算法請(qǐng)見(jiàn)圖 9。

圖 7. CD-CoT 算法的步驟 1&2

圖 8. CD-CoT 算法的步驟 3&4

圖 9. 完整的 CD-CoT 算法

CD-CoT 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我們?cè)?NoRa 數(shù)據(jù)集上全面測(cè)試了 CD-CoT，并對(duì)比了多個(gè)需要額外監(jiān)督信息的去噪方法（見(jiàn)圖 10），我們發(fā)現(xiàn)：

當(dāng)面對(duì)噪聲思維鏈時(shí)，與 base model 相比，CD-CoT 在所有數(shù)據(jù)集上的性能均有顯著提升，準(zhǔn)確率平均提升幅度達(dá)到 17.8%；
CD-CoT 對(duì)高噪聲表現(xiàn)出顯著的抵抗力，尤其在更具挑戰(zhàn)的數(shù)學(xué)推理任務(wù)中。

圖 10. 各種需要額外監(jiān)督信息的方法在 NoRa 數(shù)據(jù)集上的測(cè)評(píng)結(jié)果

此外，通過(guò)諸多消融實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)：

關(guān)于 CD-CoT 超參數(shù)的消融實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，干凈的思維鏈?zhǔn)纠?CD-CoT 中扮演著關(guān)鍵的角色；當(dāng)變化 N,M,C 等超參數(shù)的取值時(shí)，準(zhǔn)確性僅呈現(xiàn)出細(xì)微的變化（見(jiàn)圖 11）。在論文中，我們默認(rèn)采用 M 設(shè)為 2 的 CD-CoT 示例，以在效率和效果之間取得平衡；
CD-CoT 在不同的 LLM 上具有良好的泛化能力，與 base model（GPT-3.5-Turbo 和 Gemini-Pro）相比，其準(zhǔn)確率分別提高了 23.4% 和 21.6%，并超越了所有基線方法（見(jiàn)圖 12）。