LLM幻覺,竟因知識「以大欺小」!華人團(tuán)隊(duì)祭出對數(shù)線性定律與CoDA策略
大語言模型(LLMs)已經(jīng)徹底改變了AI,但「幻覺」問題如影隨從,堪稱LLM癌癥。
LLM會一本正經(jīng)、義正辭嚴(yán)的捏造事實(shí),「臉不紅,心不跳」地說謊。
「幻覺」被普遍認(rèn)為與訓(xùn)練數(shù)據(jù)相關(guān)。
但在掌握真實(shí)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的情況下,為什么LLM還會幻覺?能否提前預(yù)測LLM幻覺的發(fā)生?
來自美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校UIUC、哥倫比亞大學(xué)、西北大學(xué)、斯坦福大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì),在Arxiv上發(fā)布預(yù)印本,提出了知識遮蔽定律(The Law of Knowledge Overshadowing):揭示、預(yù)測并減少LLM幻覺!
一作張雨季宣布新發(fā)現(xiàn),介紹了LLM幻覺的對數(shù)線性定律(Log-Linear Law),分享了最新研究成果:
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此研究深入研究了LLM幻覺,有4大亮點(diǎn):
1 發(fā)現(xiàn)幻覺的對數(shù)線性規(guī)律:幻覺率隨著相對知識流行度、相對知識長度和模型規(guī)模的對數(shù)線性增長
2 在訓(xùn)練或推理前預(yù)測幻覺:在訓(xùn)練前「知識遮蔽效應(yīng)」可預(yù)測幻覺發(fā)生的可能性
3 提出全新解碼策略CoDA(Contrastive Decoding with Attenuation)強(qiáng)調(diào)被遮蔽的知識,降低主流知識偏差,大幅提升LLM事實(shí)性(Factuality)
4 更可預(yù)測、更可控的語言模型正在成為現(xiàn)實(shí)!研究加深了對LLM幻覺機(jī)制的理解,為未來的可解釋性與可控性研究打開新方向
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論文鏈接:https://arxiv.org/abs/2502.16143
LLM存在一種根本矛盾:
即使使用高質(zhì)量的訓(xùn)練數(shù)據(jù),「幻覺」依舊存在。
要解決這一矛盾,需要對LLL的根本機(jī)制有更深入的理解。
為此,本次研究團(tuán)隊(duì)提出了新概念:「知識遮蔽」,即模型中的主導(dǎo)知識可以在文本生成過程中,掩蓋那些不太突出的知識,從而導(dǎo)致模型編造不準(zhǔn)確的細(xì)節(jié)。
基于這一概念,研究者引入了新的框架來量化事實(shí)性幻覺,通過模擬知識遮蔽效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。
事實(shí)性幻覺的發(fā)生率會隨著以下3個因素的對數(shù)尺度線性增加:(1)知識普及度,(2)知識長度,以及(3)模型大小。
基于這一規(guī)律,可以預(yù)先量化幻覺現(xiàn)象,甚至在模型訓(xùn)練或推理之前,就能預(yù)見幻覺出現(xiàn)。
在遮蔽效應(yīng)基礎(chǔ)之上,研究人員還提出了一種新的解碼策略CoDa,以減少幻覺現(xiàn)象,這顯著提高了模型在Overshadow(27.9%)、MemoTrap(13.1%)和NQ-Swap(18.3%)測試中的事實(shí)準(zhǔn)確性。
新研究不僅加深了對幻覺背后基礎(chǔ)機(jī)制的理解,也為開發(fā)更加可預(yù)測和可控的語言模型提供了可行的見解。
什么是「LLM幻覺」
LLM的「幻覺」指的是模型生成不真實(shí)或非事實(shí)陳述的現(xiàn)象。
給出提示「LLM幻覺」,AI自己可以解釋什么是LLM幻覺:
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排名第一的原因就是訓(xùn)練數(shù)據(jù)問題。
然而,發(fā)現(xiàn)即使在嚴(yán)格控制預(yù)訓(xùn)練語料庫僅包含事實(shí)陳述的情況下,這一問題仍然存在。
具體來說,在使用查詢提取知識時,觀察到某些知識傾向于掩蓋其他相關(guān)信息。
這導(dǎo)致模型在推理過程中未能充分考慮被掩蓋的知識,從而產(chǎn)生幻覺。
知識遮蔽導(dǎo)致幻覺
「知識遮蔽」(knowledgeovershadowing)是指更常見的知識會抑制較少出現(xiàn)的知識,從而導(dǎo)致幻覺的產(chǎn)生。
為了系統(tǒng)地描述知識遮蔽現(xiàn)象,在訓(xùn)練語料庫中,研究人員定義了知識對(knowledge pairs)。
具體來說,設(shè)和
代表一對知識集合。
其中,K_A包含m個知識陳述樣本ka_i,而K_B包含n個知識陳述樣本kb_j。
在K_A和K_B中的每個陳述都通過一個共享的詞元集合X_{share}相關(guān)聯(lián)。
在知識集K_A中,每個聲明ka_i由一個共享的token序列Xshare、一個唯一的token序列xai和輸出Ya組成。
每個聲明kai表示為:
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其中⊙表示將獨(dú)特的序列xai插入Xshare中(整合位置可以變化)。
同樣,對于不太受歡迎的知識集K_B,用xbj表示獨(dú)特的token序列,每個聲明kbj表述為:
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當(dāng)在推理過程中抑制獨(dú)特的token序列xbj或xai時,會發(fā)生知識遮蔽。
以xbj被遮蔽為例,當(dāng)提示Xshare⊙xbj時,模型輸出Ya,形成,錯誤地將事實(shí)聲明kai和kbj合并成事實(shí)幻覺,違背了地面真相
,如圖1所示。
事實(shí)幻覺的度量
為了測量由知識遮蔽引起的事實(shí)幻覺,引入了相對幻覺率R。
當(dāng)KA是更受歡迎的知識集時,首先量化模型正確記憶來自KA的樣本的召回率,記為。
然后,量化模型在xbj被遮蔽時產(chǎn)生輸出的幻覺率HR,記為。
相對幻覺率R=HR/RR表示不那么受歡迎的知識集由xbj編碼的知識被更受歡迎的知識集由xai編碼的知識抑制的程度。這個比率表示較不流行的知識(xbj)在多大程度上被較流行的知識(xai)所抑制。
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圖2:大語言模型(LLMs)在一個具有可控變量S、P和L的合成數(shù)據(jù)集上從零開始預(yù)訓(xùn)練。
在每個子圖中,通過改變其中一個變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn),同時保持另外兩個變量不變。
LLMs采用自回歸(auto-regressive)方式進(jìn)行訓(xùn)練,并基于整句話計算交叉熵?fù)p失(cross-entropyloss)。
關(guān)于訓(xùn)練數(shù)據(jù)的統(tǒng)計信息、訓(xùn)練參數(shù)及具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié),請參考原文附錄A.1和A.2。
影響變量的公式化
由于影響事實(shí)幻覺的潛在因素尚未被深入研究,從全局和局部兩個角度分析這些變量,重點(diǎn)關(guān)注導(dǎo)致「知識遮蔽」(overshadowing)效應(yīng)的知識占比。
當(dāng)K_A比K_B更流行時,樣本數(shù)量滿足m>n。
全局視角下,定義相對知識流行度(relative knowledge popularity)為P=m/n,該值表示在整個訓(xùn)練語料庫中,某一知識的相對占比。
局部視角下,量化單個句子中知識的權(quán)重,定義相對知識長度(relativeknowledgelength)為:其中,長度(length)是指token的數(shù)量。
此外,先前研究表明,擴(kuò)大模型規(guī)??梢蕴嵘P托阅?。因此,研究增加模型規(guī)模(S)是否能緩解事實(shí)幻覺現(xiàn)象。
何時會出現(xiàn)事實(shí)幻覺?
為了研究知識幻覺出現(xiàn)的條件,研究人員在以下三種情境下探測了知識掩蓋現(xiàn)象:
1、未經(jīng)過額外訓(xùn)練的開源預(yù)訓(xùn)練LLM,
2、從零開始訓(xùn)練一個新的LLM,
3、以及對預(yù)訓(xùn)練LLM進(jìn)行下游任務(wù)的微調(diào)。
開源LLM中的幻覺
研究人員探測了開源預(yù)訓(xùn)練大語言模型Olmo和公開訓(xùn)練語料Dolma,調(diào)查了模型幻覺與數(shù)據(jù)樣本頻率之間的關(guān)系。
結(jié)果表明,頻率更高的知識傾向于掩蓋頻率較低的知識。
這一發(fā)現(xiàn)與「高頻知識掩蓋低頻知識」的現(xiàn)象相一致,說明數(shù)據(jù)中出現(xiàn)頻率高的內(nèi)容容易主導(dǎo)模型的輸出,從而導(dǎo)致幻覺。
當(dāng)向語言模型提出包含多個條件的問題時,有研究報告稱,模型的回答往往只部分滿足這些條件。
為了驗(yàn)證較流行的知識是否會遮蔽較不流行的知識,設(shè)計了一項(xiàng)探測實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)使用了典型查詢句式,例如:「告訴我一些著名的<A><B>」。
其中A和B代表不同的條件,比如性別、種族、職業(yè)、性取向、國籍、時間等。
B條件的上下文關(guān)系趨勢與訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的提及頻率一致。
這些研究結(jié)果證實(shí)了,當(dāng)知識不平衡滿足 m > n 時,就會出現(xiàn)事實(shí)性幻覺。
正如下表5所示,模型往往會優(yōu)先滿足條件B,而忽略條件A,導(dǎo)致生成幻覺性回答。
值得注意的是,條件A通常存在一個更占主導(dǎo)地位的對應(yīng)項(xiàng)。
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表5:預(yù)訓(xùn)練的OLMO模型在推理時產(chǎn)生的嚴(yán)重幻覺(可能具有冒犯性)。主導(dǎo)知識以粉色/藍(lán)色標(biāo)注,被掩蓋的知識以橙色/綠色標(biāo)注。
幻覺的對數(shù)線性規(guī)律
實(shí)驗(yàn)設(shè)置:為了準(zhǔn)確量化幻覺與其影響因素之間的關(guān)系,在具有受控變量設(shè)置的合成數(shù)據(jù)集上,研究人員從頭開始預(yù)訓(xùn)練語言模型。
之所以這樣做,是因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)世界訓(xùn)練數(shù)據(jù)中,自然語言天生就有變異性和不精確性,無法以完全準(zhǔn)確地枚舉所有流行/不流行知識的表達(dá)形式。
對于每個受控變量實(shí)驗(yàn),從分詞器詞匯表中,采樣詞元來構(gòu)建每個數(shù)據(jù)集,如表1所示。
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研究人員從零開始預(yù)訓(xùn)練每個LLM,使用表1中的數(shù)據(jù)集,共包含19.6億tokens,并在自回歸(auto-regressive)方式下進(jìn)行訓(xùn)練。
同時控制變量,優(yōu)化交叉熵?fù)p失(cross-entropy loss),直到模型收斂(訓(xùn)練細(xì)節(jié)見原文附錄A.1)。
正如圖2所示,事實(shí)幻覺(factualhallucination)與知識流行度P、知識長度L和模型規(guī)模S呈對數(shù)線性關(guān)系:
其中α、β、γ、Pc、Lc、Sc為常數(shù)。
從圖2可以看出,幻覺率隨著相對知識流行度P、相對知識長度L和模型規(guī)模S的對數(shù)值線性增長。
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更高的流行度會導(dǎo)致信息被掩蓋:高頻知識會主導(dǎo)模型的學(xué)習(xí),而低頻知識則更容易被忽略或錯誤替代。
更長的文本會導(dǎo)致信息被掩蓋:在句子內(nèi)部,如果x_{bj}的token長度短于X_share,它的語義邊界會變得不清晰,導(dǎo)致信息被掩蓋。
更大模型導(dǎo)致信息被掩蓋:在保持低頻知識的清晰語義區(qū)分方面,更大的模型的能力有所下降。最終可能導(dǎo)致低頻知識在生成過程中被忽略或誤用,從而增加幻覺(hallucination)發(fā)生的概率。
在微調(diào)LLM中驗(yàn)證對數(shù)線性規(guī)律
在上文中,研究結(jié)果基于預(yù)訓(xùn)練模型。
對數(shù)線性規(guī)律(log-linear law)是否在微調(diào)LLM中依然成立?
對數(shù)線性規(guī)律是否可用作量化LLM產(chǎn)生幻覺的預(yù)測工具,尤其是在下游任務(wù)微調(diào)過程中?
具體來說,研究人員對參數(shù)規(guī)模從160M到13B的模型進(jìn)行微調(diào),涵蓋多種事實(shí)類任務(wù),包括:
時間、地點(diǎn)、性別、否定查詢(negation queries)、數(shù)學(xué)和邏輯推理與知識沖突解析(knowledge conflict resolution)。
對于每個任務(wù),研究人員生成:
(1)m組樣本,對應(yīng);
(2)n組樣本,對應(yīng)。
為了嚴(yán)格控制微調(diào)后的知識分布,研究人員使用人工構(gòu)造的事實(shí)來生成查詢,以減少預(yù)訓(xùn)練知識的干擾,從而能夠更加精準(zhǔn)地評估對數(shù)線性規(guī)律中的P(知識流行度)和L(知識長度)。
表1展示了多個任務(wù)的知識對(k_a,k_b)示例,原文附錄A.2提供了更多數(shù)據(jù)集示例和統(tǒng)計信息。
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利用對數(shù)線性規(guī)律主動量化幻覺
研究人員利用訓(xùn)練LLM在受控的合成數(shù)據(jù)集上擬合出的對數(shù)線性規(guī)律(log-linear law),來預(yù)測經(jīng)過微調(diào)后的LLM在不同下游任務(wù)中的幻覺率。
具體來說,研究人員使用該規(guī)律預(yù)測幻覺率R,并分析它如何隨以下變量變化(見圖3):模型規(guī)模S、相對知識流行度P、相對知識長度L。
隨后,研究人員比較預(yù)測的幻覺率與微調(diào)實(shí)驗(yàn)中實(shí)際觀測到的幻覺率之間的差異。
研究人員使用相對預(yù)測誤差來評估對數(shù)線性規(guī)律的預(yù)測能力,其計算公式如下:
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這一方法使研究人員能夠量化并預(yù)測LLM在不同微調(diào)任務(wù)下的幻覺現(xiàn)象,為優(yōu)化和改進(jìn)模型提供理論依據(jù)。
研究人員在圖4中可視化了不同任務(wù)中幻覺率的預(yù)測誤差,報告了平均相對預(yù)測誤差為8.0%。
對于L(知識長度)和P(知識流行度)的誤差略高于S(模型規(guī)模)。
這是因?yàn)楸M管微調(diào)數(shù)據(jù)集包含了未見過的事實(shí),但其中仍然存在一些與預(yù)訓(xùn)練知識相似的語言表達(dá),這對P和L的量化產(chǎn)生了輕微的影響,而S并未受到影響。
精確量化不準(zhǔn)確的真實(shí)世界知識的流行度仍然是一個未解決的挑戰(zhàn),研究人員將在未來的工作中進(jìn)一步探討。
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當(dāng)前最佳LLM中的事實(shí)幻覺
表2展示了一個案例研究,說明了最先進(jìn)的大語言模型如何受到知識掩蓋的擴(kuò)展效應(yīng)影響。
由于這些模型的訓(xùn)練語料庫是閉源的,且P(知識流行度)和S(模型規(guī)模)的值是固定的,直接研究P、S和L對模型的影響較為困難。
因此,研究人員在推理階段操控L(知識長度),以觀察模型行為的變化。
例如,當(dāng)查詢GPT-4o關(guān)于薛定諤貓的狀態(tài)時,如果增加周圍文本的長度,同時保持「死」的詞不變,就會提高周圍上下文的相對長度L,從而導(dǎo)致相較于「死」這個詞,幻覺的可能性增大。
其他LLM也存在知識掩蓋問題。
例如,當(dāng)查詢DeepSeek-V3-671B論文的作者時,「Scalinglaw」這一短語掩蓋了標(biāo)題中的其他描述性元素,導(dǎo)致錯誤的回應(yīng)——「Kaplan」,即另一篇著名的Scalinglaw論文的作者。
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表2:SOTALLM中的事實(shí)幻覺
為什么知識會被掩蓋?
在實(shí)驗(yàn)中觀察到的知識掩蓋的擴(kuò)展效應(yīng)(scaling effects of knowledge overshadowing)現(xiàn)象。
對此,研究團(tuán)隊(duì)也提供了理論解釋。
記憶—泛化—幻覺
研究人員發(fā)現(xiàn)事實(shí)幻覺遵循的對數(shù)線性規(guī)律與記憶(memorization)的對數(shù)線性規(guī)律驚人地一致。
兩者都與樣本頻率、樣本長度和模型規(guī)模的對數(shù)值呈線性關(guān)系。
這一高度一致性促使研究人員深入探討事實(shí)幻覺的本質(zhì),并引出了一個關(guān)鍵問題:
幻覺是否可以被理解為記憶階段之后——即泛化(generalization)階段的必然副產(chǎn)物?
隨著模型記憶大量信息并捕捉關(guān)聯(lián)關(guān)系,它們會在泛化過程中適應(yīng)新的分布。
然而,在這一過程中,不占主導(dǎo)地位的知識可能會因過度平滑(smoothing)或信息壓縮(compression)而被更常見的模式所掩蓋。
與長尾效應(yīng)不同,知識掩蓋并不僅僅是數(shù)據(jù)不均衡的結(jié)果,而是知識表征之間競爭的直接產(chǎn)物。
即使是并不罕見的知識,也可能在表征空間中被更占主導(dǎo)地位的知識壓制。
這種表征競爭機(jī)制直接推動了事實(shí)幻覺的產(chǎn)生,尤其是在模型從記憶(memorization)過渡到泛化(generalization)處理更復(fù)雜的數(shù)據(jù)分布時,幻覺現(xiàn)象變得更加明顯。
泛化誤差界解釋幻覺
研究人員推導(dǎo)了主流知識的泛化誤差界,以理解相對知識流行度P和相對知識長度L的增加如何增強(qiáng)泛化能力,同時加劇LLM的事實(shí)幻覺。
在使用自回歸(auto-regressive)目標(biāo)優(yōu)化的LLM中,下一個token預(yù)測任務(wù)的泛化誤差界可表示為:
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在受控實(shí)驗(yàn)設(shè)置下,可以將除了L和m之外的變量視為常數(shù)。
在這里,h(L)表示一個與L正相關(guān)的函數(shù)值,μ反映了輸入變化的敏感度,即相對知識長度L對泛化能力的影響。此外m代表K_A的樣本數(shù)量。
理論上,更低的誤差下界意味著更強(qiáng)的泛化能力。
當(dāng)L增加(即知識的相對長度增長)或m增加(即知識的相對流行度提高)時,二者都會降低泛化誤差界,也就是說說,提高泛化能力。
但與此同時,這也與幻覺率的上升趨勢一致,即泛化能力增強(qiáng)的同時,模型更容易產(chǎn)生事實(shí)幻覺(hallucination)。
更多詳細(xì)的理論推導(dǎo)可在原文附錄A.5中查看。
如何消除幻覺?
為了減少事實(shí)幻覺(factualhallucinations),在幻覺影響模型預(yù)測之前,主動識別被掩蓋的知識。
識別被掩蓋的知識
在語言模型(LLM)中,給定輸入token序列X,模型會生成續(xù)寫token序列Y,其中X和Y都由詞匯表V中的token組成。
如果X中的某些token x_b被掩蓋(overshadowed),模型可能會生成幻覺輸出(hallucinated output)。
比如說,輸入X是下列內(nèi)容:
「Who is a famous African researcher in machine learning area?」
如果「African」(x_b)被「machine learning」掩蓋,則模型可能會錯誤地輸出:
Y=「Yoshua Bengio」
此時,模型忽略了「African」這一約束,導(dǎo)致幻覺生成。
解決方案:研究人員提出CoDA(對比解碼),用于放大被掩蓋的知識,從而減少幻覺現(xiàn)象的發(fā)生。
檢測被掩蓋的Token
為了識別被掩蓋的token x_b,研究人員采用逐步屏蔽(masking)的方法,即依次屏蔽X中的x_b,形成X',直到找到被掩蓋的token(具體的x_b選擇方法見原文附錄A.4)。
如果x_b被掩蓋,則模型的條件概率會發(fā)生退化:
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換句話說,模型的輸出會從Y_b偏向Y_a,導(dǎo)致信息丟失或幻覺。
為了確保研究人員能夠量化輸出候選yi∈P(Y|X)和P(Y|X′)的足夠語義,采用自適應(yīng)合理性約束,保留滿足以下條件的token:
,其中α=0.01是一個超參數(shù),Υ是一個全局變量,表示所有yi候選中的最大概率。
然后,R-PMI在上進(jìn)行量化:
本質(zhì)上,負(fù)的R-PMI值表示token yi更傾向于與X′相關(guān)聯(lián),且沒有受到遮蔽信息的影響。
因此,為了量化P(Y|X)在多大程度上推廣到P(Y|X),需要找到下列最小值:
此外,值得注意的是,盡管某些token被X′遮蔽,但仍有一些token逃脫了這種遮蔽效應(yīng),定義為Vesc:
這些逃脫的token展示了消除幻覺的潛力。
研究人員提出了一個逃避獎勵機(jī)制(ERM),該機(jī)制通過向負(fù)R-PMI的總和添加正獎勵來評估逃避效應(yīng)是否超過了遮蔽效應(yīng)。
將所有具有負(fù)R-PMI的yi表示為yi∈S,ERM的計算方式如下:
這里的計算是為了使ERM與RPMI保持平衡,兩者具有相似的分母p(yj|X′),在方程7中表示來自X′的最小偏差。
然后,研究人員可以通過以下公式計算遮蔽知識指標(biāo):Indicator=R-PMI總和+ERM。
指標(biāo)值為負(fù)表示進(jìn)行了適當(dāng)?shù)姆夯鴽]有遮蔽其他知識,而正值則表示過度泛化并遮蔽了token xb。
接著,研究人員可以在定位被遮蔽的token后,預(yù)測潛在的幻覺,表8顯示了準(zhǔn)確率。
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提升被遮掩的知識
研究人員提出了一種方法,用于提升被遮掩的知識。
一旦識別出編碼被遮掩知識的token xb,研究人員就會對這些token采用對比解編碼,以減少X′的影響并突出X的重要性。
具體來說,為了降低X′的偏差,研究人員對每個yi∈Vtop(X)∩Vtop(X′)減去X′的先驗(yàn)偏差P(yi|X′),計算方式如下:
同樣,對于每個yi∈Vesc,研究人員進(jìn)行以下操作:
在這里,右式后一項(xiàng)表示來自普遍知識的最小先驗(yàn)偏差。
這種減法旨在平衡yi∈Vesc和yi/∈Vesc之間的偏差調(diào)整,確保對兩者進(jìn)行成比例的調(diào)整。
然后研究人員通過以下方式預(yù)測最優(yōu)輸出y^{?}_{i}
到目前為止,研究人員已經(jīng)減少了由X′編碼的普遍知識帶來的遮掩效應(yīng),然后放大了編碼有意義被遮掩知識的逃避token,以減少幻覺。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在Overshadow、MemoTrap和NQ-Swap任務(wù)上,CoDA分別將貪心解碼的性能提升了27.9%、13.1%和18.3%。
增強(qiáng)推理能力的基線方法在處理因知識遮蔽(knowledge overshadowing)導(dǎo)致的幻覺現(xiàn)象時表現(xiàn)不佳。
而基于自一致性(self-consistency)的方法則表現(xiàn)出不穩(wěn)定性,甚至可能出現(xiàn)性能下降,這可能是由于強(qiáng)化了來自流行知識的偏差。
圖5展示了對CoDA受兩個因素P和L影響的定量分析。
隨著知識的過度泛化,提取有價值信息變得越來越困難,因?yàn)橛杏玫闹R表示受到了抑制。
圖5:關(guān)于流行度P和長度L對CoDA在消除知識遮蔽方面表現(xiàn)的定量分析。
作者簡介
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一作張雨季,目前是伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign,UIUC)的博士后研究員。
她之前在香港理工大學(xué)、東南大學(xué)就讀。
她的主要研究興趣是自然語言處理、計算社會學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)。
參考資料: