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

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NoRa 數據集的樣本在構建數據集時，我們通過插入 Noisy Thoughts 來生成噪聲思維鏈，這些噪聲僅影響推理鏈的細節，而不改變問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）來控制任務的困難程度，Noise Ratio 越大任務難度也越大。NoRa 數據集的統計信息如圖 4 所示。圖 4. NoRa 數據集的統計信息NoRa 數據集 測評結果我們以 GPT-3.5-Turbo 為 base model，測試了其在 NoRa 上的表現，并且對比了多種去噪方法。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 數據集上的測評結果實驗結果（圖 5）表明：無論采取哪種現有方法，LLM 都會受到噪聲思維鏈的嚴重影響。具體來說，存在不相關噪聲時，各方法的性能下降了 0.2% – 25.3%；存在不準確噪聲時，各方法的性能下降了 0.1% – 54.0%；在 NoRa 的大多數任務中，自我糾正方法的表現不佳；自一致性方法可以在一定程度上緩解噪聲的影響，但無法做到真正的數據去噪。此外，我們還進行了各種消融研究，來探索不同因素對 NoRa 數據集評估結果的影響（見圖 6），我們發現：調整溫度系數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任務的推理性能；不同的大語言模型普遍容易受到噪聲思維鏈的影響。圖 6. 消融實驗：(左) 溫度系數對性能的影響；(中) 示例個數對性能的影響；(右) 各種模型的性能新方法：CD-CoT根據測評結果，大語言模型在應對噪聲思維鏈提示時，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，我們認為有必要引入外部監督信號來增強模型魯棒性，且這種監督信號既要足以實現去噪，又要在實際應用中切實可行。對此，我們提出了一種簡單有效的去噪推理方法， CD-CoT（Contrastive Denoising with Noisy Chain of Thoughts）。CD-CoT 借鑒了對比學習的思路，通過讓 LLM 顯式地對比有噪和干凈的思維鏈，從而識別出噪聲信息。方法主要包括四個關鍵步驟，步驟 1&2 進行顯式的去噪，步驟 3&4 進行精細推理并獲得最終答案。四個步驟具體如下：改寫思維鏈：借助一個干凈的思維鏈示例，引導 LLM 通過對比改寫和糾正噪聲思維鏈，并生成多個改寫的思維鏈（見圖 7 step1）；選擇思維鏈：通過答案匹配，篩選出改寫后答案不變的思維鏈，形成精煉的候選集；再從中隨機選取一定數量的思維鏈，用于后續的推理（見圖 7 step2）；探索推理鏈：將選取的思維鏈排列成不同的上下文，與目標問題一同輸入給 LLM，并采用較高的溫度參數進行多次重復推理，以探索多樣的推理路徑（見圖 8 step3）；答案投票：將所有得到的答案進行投票，得到最終答案（見圖 8 step4）。完整的 CD-CoT 算法請見圖 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 實驗結果我們在 NoRa 數據集上全面測試了 CD-CoT，并對比了多個需要額外監督信息的去噪方法（見圖 10），我們發現：當面對噪聲思維鏈時，與 base model 相比，CD-CoT 在所有數據集上的性能均有顯著提升，準確率平均提升幅度達到 17.8%；CD-CoT 對高噪聲表現出顯著的抵抗力，尤其在更具挑戰的數學推理任務中。圖 10. 各種需要額外監督信息的方法 在 NoRa 數據集上的測評結果此外，通過諸多消融實驗，我們發現：關于 CD-CoT 超參數的消融實驗結果顯示，干凈的思維鏈示例在 CD-CoT 中扮演著關鍵的角色；當變化 N，M，C 等超參數的取值時，準確性僅呈現出細微的變化（見圖 11）。在論文中，我們默認采用 M 設為 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，其準確率分別提高了 23.4% 和 21.6%，并超越了所有基線方法（見圖 12）。圖 11. 關于 CD-CoT 超參數的消融研究圖 12. 關于 CD-CoT 在不同 LLM 上的效果的消融研究更多的實驗分析和技術細節，請移步參閱我們的論文及源碼，我們也將持續更新本工作的內容。我們希望通過這項工作，呼吁人們更多地關注 LLM 推理的魯棒性問題，并開展關于大模型推理魯棒性的探討與研究。非常感謝大家關注我們的工作！參考文獻[1] Wei J， Wang X， Schuurmans D， et al. Chain-of-thought prompting elicits reasoning in large language models. NeurIPS 2022.[2] Shi F， Chen X， Misra K， et al. Large language models can be easily distracted by irrelevant context. ICML 2023.[3] Tian Q， Zhu H， Wang L， et al. R3 Prompting: Review， Rephrase and Resolve for Chain-of-Thought Reasoning in Large Language Models under Noisy Context. EMNLP 2023.[4] Huang J， Chen X， Mishra S， et al. Large language models cannot self-correct reasoning yet. ICLR 2024.[5] Xi Z， Jin S， Zhou Y， et al. Self-polish: Enhance reasoning in large language models via problem refinement. EMNLP 2023.[6] Robey A， Wong E， Hassani H， et al. Smoothllm: Defending large language models against jailbreaking attacks. Arxiv 2023.[7] Zhang Z， Zhang G， Hou B， et al. Certified robustness for large language models with self-denoising. Arxiv 2023.[8] Wang X， Wei J， Schuurmans D， et al. Self-Consistency Improves Chain of Thought Reasoning in Language Models. ICLR 2023.課題組介紹香港浸會大學可信機器學習和推理課題組 (TMLR Group) 由多名青年教授、博士后研究員、博士生、訪問博士生和研究助理共同組成，課題組隸屬于理學院計算機系。課題組專攻可信表征學習、可信基礎模型、基于因果推理的可信學習等相關的算法，理論和系統設計以及在自然科學上的應用，具體研究方向和相關成果詳見本組 GitHub (https://github.com/tmlr-group)。課題組由科研基金以及工業界科研基金資助，如香港研究資助局杰出青年學者計劃，國家自然科學基金面上項目和青年項目，以及微軟、英偉達、字節跳動、百度、阿里、騰訊等企業的科研基金。青年教授和資深研究員手把手帶，GPU 計算資源充足，長期招收多名博士后研究員、博士生、研究助理和研究實習生。此外，本組也歡迎自費的訪問博士后研究員、博士生和研究助理申請，訪問至少 3-6 個月，支持遠程訪問。有興趣的同學請發送個人簡歷和初步研究計劃到郵箱 (bhanml@comp.hkbu.edu.hk)。?THE END轉載請聯系本公眾號獲得授權投稿或尋求報道：liyazhou@jiqizhixin.com