今年，大型語言模型（LLM）成為 AI 領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。LLM 在各種自然語言處理（NLP）任務(wù)上取得了顯著的進(jìn)展，在推理方面的突破尤其令人驚艷。但在復(fù)雜的推理任務(wù)上，LLM 的表現(xiàn)仍然欠佳。

那么，LLM 能否判斷出自己的推理存在錯(cuò)誤？最近，劍橋大學(xué)和 Google Research 聯(lián)合開展的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)：LLM 找不到推理錯(cuò)誤，但卻能使用該研究提出的回溯（backtracking）方法糾正錯(cuò)誤。

• 論文地址：https://arxiv.org/pdf/2311.08516.pdf
• 數(shù)據(jù)集地址：https://github.com/WHGTyen/BIG-Bench-Mistake

這篇論文引起了一些爭論，有人提出異議，比如在 Hacker News 上，有人評論這篇論文的標(biāo)題言過其實(shí)，有些標(biāo)題黨。也有人批評說其中提出的校正邏輯錯(cuò)誤的方法基于模式匹配，而非采用邏輯方法，這種方法其實(shí)容易失敗。

Huang 等人在論文《Large language models cannot self-correct reasoning yet》中指出：自我校正或許是能有效地提升模型輸出的風(fēng)格和質(zhì)量，但鮮有證據(jù)表明 LLM 有能力在沒有外部反饋的情況下識別和糾正自身的推理和邏輯錯(cuò)誤。比如 Reflexion 和 RCI 都使用了基本真值的糾正結(jié)果作為停止自我校正循環(huán)的信號。

劍橋大學(xué)和 Google Research 的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新思路：不再把自我校正看作一個(gè)單一過程，而是分成錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)和輸出校正兩個(gè)過程：

• 錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)是一種基礎(chǔ)推理技能，已經(jīng)在哲學(xué)、心理學(xué)和數(shù)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用，并催生了批判性思維、邏輯和數(shù)學(xué)謬誤等概念。我們可以合理地認(rèn)為發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的能力也應(yīng)該是 對 LLM 的一項(xiàng)重要要求。但是，本文結(jié)果表明：當(dāng)前最佳的 LLM 目前還無法可靠地發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。
• 輸出校正涉及部分或完全修改之前生成的輸出。自我校正是指由生成輸出的同一模型來完成校正。盡管 LLM 沒有發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的能力，但本文表明：如果能提供有關(guān)錯(cuò)誤的信息（如通過一個(gè)小型的監(jiān)督式獎(jiǎng)勵(lì)模型），LLM 可以使用回溯方法校正輸出。

本文的主要貢獻(xiàn)包括：

• 使用思維鏈 prompt 設(shè)計(jì)方法，任何任務(wù)都可以變成錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)任務(wù)。研究者為此收集并發(fā)布了一個(gè) CoT 類型的軌跡信息數(shù)據(jù)集 BIG-Bench Mistake，該數(shù)據(jù)集由 PaLM 生成，并標(biāo)注了第一個(gè)邏輯錯(cuò)誤的位置。研究者表示，BIG-Bench Mistake 在它的同類數(shù)據(jù)集中，是首個(gè)不局限于數(shù)學(xué)問題的數(shù)據(jù)集。
• 為了測試當(dāng)前最佳 LLM 的推理能力，研究者基于新數(shù)據(jù)集對它們進(jìn)行了基準(zhǔn)評測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前 SOTA LLM 也難以發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，即便是客觀的明確的錯(cuò)誤。他們猜測：LLM 無法發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤是 LLM 無法自我校正推理錯(cuò)誤的主要原因，但這方面還有待進(jìn)一步研究。
• 本文提出使用回溯方法來校正輸出，利用錯(cuò)誤的位置信息來提升在原始任務(wù)上的性能。研究表明這種方法可以校正原本錯(cuò)誤的輸出，同時(shí)對原本正確的輸出影響極小。
• 本文將回溯方法解釋成了「言語強(qiáng)化學(xué)習(xí)」的一種形式，從而可實(shí)現(xiàn)對 CoT 輸出的迭代式提升，而無需任何權(quán)重更新。研究者提出，可以通過一個(gè)經(jīng)過訓(xùn)練的分類器作為獎(jiǎng)勵(lì)模型來使用回溯，他們也通過實(shí)驗(yàn)證明了在不同獎(jiǎng)勵(lì)模型準(zhǔn)確度下回溯的有效性。

BIG-Bench Mistake數(shù)據(jù)集

BIG-Bench 由 2186 個(gè) CoT 風(fēng)格的軌跡信息集合組成。每個(gè)軌跡由 PaLM 2-L-Unicorn 生成，并標(biāo)注了第一個(gè)邏輯錯(cuò)誤的位置。表 1 展示了一個(gè)軌跡示例，其中錯(cuò)誤位于第 4 步。

這些軌跡來自 BIG-Bench 數(shù)據(jù)集中的 5 個(gè)任務(wù)：詞排序、跟蹤經(jīng)過混洗的對象、邏輯推演、多步算術(shù)和 Dyck 語言。

他們使用 CoT prompt 設(shè)計(jì)法來調(diào)用 PaLM 2，使其解答每個(gè)任務(wù)的問題。為了將 CoT 軌跡分成明確的步驟，他們使用了論文《React: Synergizing reasoning and acting in language  models》中提出的方法，分開生成每一步，并使用了換行符作為停止 token。

在該數(shù)據(jù)集中，生成所有軌跡時(shí)，temperature = 0。答案的正確性由精確匹配決定。

基準(zhǔn)測試結(jié)果 

表 4 報(bào)告了 GPT-4-Turbo、GPT-4 和 GPT-3.5-Turbo 在新的錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)集上的準(zhǔn)確度。

對于每個(gè)問題，可能的答案有兩種情況：要么沒有錯(cuò)誤，要么就有錯(cuò)誤。如有錯(cuò)誤，則數(shù)值 N 則會(huì)指示第一個(gè)錯(cuò)誤出現(xiàn)的步驟。

所有模型都被輸入了同樣的 3 個(gè) prompt。他們使用了三種不同的 prompt 設(shè)計(jì)方法：

• 直接的軌跡層面的 prompt 設(shè)計(jì) 
• 直接的步驟層面的 prompt 設(shè)計(jì) 
• CoT 步驟層面的 prompt 設(shè)計(jì)

相關(guān)討論

研究結(jié)果表明，這三個(gè)模型都難以應(yīng)對這個(gè)新的錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)集。GPT 的表現(xiàn)最好，但其在直接的步驟層面的 prompt 設(shè)計(jì)上也只能達(dá)到 52.87 的總體準(zhǔn)確度。

這說明當(dāng)前最佳的 LLM 難以發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，即使是在最簡單和明確的案例中。相較之下，人類在沒有特定專業(yè)知識時(shí)也能發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，并且具有很高的一致性。

研究者猜測：LLM 無法發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤是 LLM 無法自我校正推理錯(cuò)誤的主要原因。

prompt 設(shè)計(jì)方法的比較

研究者發(fā)現(xiàn)，從直接軌跡層面的方法到步驟層面的方法再到 CoT 方法，無錯(cuò)誤的軌跡準(zhǔn)確度顯著下降。圖 1 展示了這種權(quán)衡。

研究者猜測其原因是模型生成的輸出的數(shù)量。這三種方法涉及到生成越來越復(fù)雜的輸出：直接的軌跡層面的 prompt 設(shè)計(jì)方法需要單個(gè) token，直接的步驟層面的 prompt 設(shè)計(jì)方法每步需要一個(gè) token，CoT 步驟層面的 prompt 設(shè)計(jì)每步需要多個(gè)句子。如果每次生成調(diào)用都有一定的概率識別出錯(cuò)誤，那么對每條軌跡的調(diào)用越多，模型識別出至少一個(gè)錯(cuò)誤的可能性就越大。

將錯(cuò)誤位置作為正確性代理的少樣本 prompt 設(shè)計(jì)

研究者探究了這些 prompt 設(shè)計(jì)方法能否可靠地決定一個(gè)軌跡的正確性，而不是錯(cuò)誤位置。

他們計(jì)算了平均 F1 分?jǐn)?shù)，依據(jù)為模型能否預(yù)測軌跡中是否存在錯(cuò)誤。如果存在錯(cuò)誤，則假設(shè)模型預(yù)測的是該軌跡是 incorrect_ans。否則就假設(shè)模型預(yù)測的是該軌跡是 correct_ans。

使用 correct_ans 和 incorrect_ans 作為正例標(biāo)簽，并根據(jù)每個(gè)標(biāo)簽的出現(xiàn)次數(shù)進(jìn)行加權(quán)，研究者計(jì)算了平均 F1 分?jǐn)?shù)，結(jié)果見表 5。

這個(gè)加權(quán) F1 分?jǐn)?shù)表明，對于確定最終答案的正確性而言，通過 prompt 尋找錯(cuò)誤是一個(gè)很糟糕的策略。

回溯

Huang 等人指出 LLM 無法在沒有外部反饋的情況下自我校正邏輯錯(cuò)誤。但是，在許多真實(shí)世界應(yīng)用中，通常沒有可用的外部反饋。

研究者在這項(xiàng)研究中采用了一種替代方案：用一個(gè)在少量數(shù)據(jù)上訓(xùn)練的輕量級分類器替代外部反饋。與傳統(tǒng)強(qiáng)化學(xué)習(xí)中的獎(jiǎng)勵(lì)模型類似，這個(gè)分類器可以檢測 CoT 軌跡中的任何邏輯錯(cuò)誤，然后再將其反饋給生成器模型以提升輸出。如果想要最大化提升，可以進(jìn)行多次迭代。

研究者提出了一種簡單的回溯方法，可以根據(jù)邏輯錯(cuò)誤的位置來提升模型的輸出：

• 模型首先生成一個(gè)初始的 CoT 軌跡。在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置 temperature = 0。
• 然后使用獎(jiǎng)勵(lì)模型確定軌跡中錯(cuò)誤的位置。
• 如果沒有錯(cuò)誤，就轉(zhuǎn)向下一個(gè)軌跡。如果有錯(cuò)誤，則再次向模型輸入 prompt 以執(zhí)行相同的步驟，但這一次 temperature = 1，生成 8 個(gè)輸出。這里會(huì)使用同樣的 prompt 以及包含錯(cuò)誤步驟之前所有步驟的部分軌跡。
• 在這 8 個(gè)輸出中，過濾掉與之前的錯(cuò)誤一樣的選項(xiàng)。再從剩下的輸出中選擇對數(shù)概率最高的一個(gè)。
• 最后，用新的重新生成的步驟替換之前步驟，再重新設(shè)置 temperature = 0，繼續(xù)生成該軌跡的剩余步驟。

相比于之前的自我校正方法，這種回溯方法有諸多優(yōu)勢：

• 新的回溯方法不需要對答案有預(yù)先的知識。相反，它依賴于有關(guān)邏輯錯(cuò)誤的信息（比如來自訓(xùn)練獎(jiǎng)勵(lì)模型的信息），這可以使用獎(jiǎng)勵(lì)模型一步步地確定。邏輯錯(cuò)誤可能出現(xiàn)在 correct_ans 軌跡中，也可能不出現(xiàn)在 incorrect_ans 軌跡中。 
• 回溯方法不依賴于任何特定的 prompt 文本或措辭，從而可減少相關(guān)的偏好。 
• 相比于需要重新生成整個(gè)軌跡的方法，回溯方法可以通過復(fù)用已知邏輯正確的步驟來降低計(jì)算成本。
• 回溯方法可直接提升中間步驟的質(zhì)量，這可能對需要正確步驟的場景來說很有用（比如生成數(shù)學(xué)問題的解），同時(shí)還能提升可解釋性。

研究者基于 BIG-Bench Mistake 數(shù)據(jù)集實(shí)驗(yàn)了回溯方法能否幫助 LLM 校正邏輯錯(cuò)誤。結(jié)果見表 6。

?accuracy? 是指在原始答案是 correct_ans 時(shí)，在軌跡集合上的 accuracy_ans 之差。

?accuracy? 則是對于 incorrect_ans 軌跡的結(jié)果。

這些分?jǐn)?shù)結(jié)果表明：校正 incorrect_ans 軌跡的收益大于改變原本正確的答案所造成的損失。此外，盡管隨機(jī)基準(zhǔn)也獲得了提升，但它們的提升顯著小于使用真正錯(cuò)誤位置時(shí)的提升。注意，在隨機(jī)基準(zhǔn)中，涉及步驟更少的任務(wù)更可能獲得性能提升，因?yàn)檫@樣更可能找到真正錯(cuò)誤的位置。

為了探索在沒有好的標(biāo)簽時(shí)，需要哪種準(zhǔn)確度等級的獎(jiǎng)勵(lì)模型，他們實(shí)驗(yàn)了通過模擬的獎(jiǎng)勵(lì)模型使用回溯；這種模擬的獎(jiǎng)勵(lì)模型的設(shè)計(jì)目標(biāo)是產(chǎn)生不同準(zhǔn)確度等級的標(biāo)簽。他們使用 accuracy_RM 表示模擬獎(jiǎng)勵(lì)模型在指定錯(cuò)誤位置的準(zhǔn)確度。

當(dāng)給定獎(jiǎng)勵(lì)模型的 accuracy_RM 為 X% 時(shí)，便在 X% 的時(shí)間使用來自 BIG-Bench Mistake 的錯(cuò)誤位置。對于剩余的 (100 ? X)%，就隨機(jī)采樣一個(gè)錯(cuò)誤位置。為了模擬典型分類器的行為，會(huì)按照與數(shù)據(jù)集分布相匹配的方式來采樣錯(cuò)誤位置。研究者也想辦法確保了采樣的錯(cuò)誤位置與正確位置不匹配。結(jié)果見圖 2。

可以看到 ?accuracy? 的損失在 65% 時(shí)開始趨于穩(wěn)定。事實(shí)上，對于大多數(shù)任務(wù)，在 accuracy_RM 大約為 60-70% 時(shí)，?accuracy? 就已經(jīng)大于 ?accuracy? 了。這表明盡管更高的準(zhǔn)確度能得到更好的結(jié)果，但即便沒有黃金標(biāo)準(zhǔn)的錯(cuò)誤位置標(biāo)簽，回溯也依然有效。