COLING 2024: 复旦发布AoR，层级聚合推理突破大模型复杂推理上限

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“三个臭皮匠，顶个诸葛亮？”

“一个模型不行，那就再堆一个？”

过去当我们在处理复杂任务的时候，往往会考虑集成策略（Ensembling Strategy），通过多个模型投票的方式，选出更可能正确的答案。然而在更复杂的情况下，“真理往往掌握在少数人手中”，这时采取多数投票，就会使得结论偏离正确答案更远。

3.5研究测试：
hujiaoai.cn
4研究测试：
askmanyai.cn
Claude-3研究测试：
hiclaude3.com

因此，与其单纯评估答案是否正确来进行投票，不如反推思考过程，就好比在考试的时候，写出正确的应用题解题步骤至少就能得到大半的分。如果能对模型的中间推理步骤也做进一步剖析，将有助于得到更可靠的结果。

论文标题:
Aggregation of Reasoning: A Hierarchical Framework for Enhancing Answer Selection in Large Language Models

论文链接:
https://arxiv.org/pdf/2405.12939.pdf

思维链

思维链（Chain-of-Thought，CoT)技术是一种在大模型（LLMs）中引入的技术，旨在通过生成一系列中间步骤来解决复杂的推理任务。这种方法不仅仅是简单地给出答案，而是通过详细的推理过程来逐步解决问题，从而使得模型的推理能力得到显著提升。CoT技术通过引导模型生成逻辑上连贯的推理链，帮助模型更好地理解和处理复杂问题。

研究表明，CoT技术可以在不需要额外训练的情况下，通过简单的提示改进来提升模型在复杂推理任务上的表现。此外，CoT技术还被用于多步骤解决方案的生成，使得模型能够处理更加复杂和多变的问题。

然而，这种技术也存在一定的局限性，例如在使用单一推理链时可能出现随机性，这可能导致模型在选择最终答案时出现偏差。为了克服这一点，研究者提出了通过调整采样温度来收集多样化的推理链，并通过多数投票机制来选择最一致的答案。尽管这种方式在大多数情况下被验证有效，然而当正确答案出现在占少数比例的推理链时，这种方式则限制了CoT集成方法的能力上限。

基本概念

标准提示（Standard Prompting）：在标准提示下，大语言模型（LLM）接收问题和提示作为输入。模型将依次生成答案的每个token，目标是在每一步最大化似然概率。
思维链提示（CoT Prompting）：思维链提示法通过增强提示，从而将问题解决过程整合进去，并引导LLM在生成答案之前生成一个理由。将理由和答案对称为一个推理链。推理链的概率公式包括理由在给定提示和问题下的概率，以及在给定理由和问题下生成答案的概率。
自我一致性（Self-Consistency）：自我一致性方法使用CoT提示来采样个推理链集合，每个推理链包括一个理由和一个答案。最终答案来自于答案集合中出现次数最频繁的那个。

AoR框架

AoR（Aggregation of Reasoning）框架分为两个主要阶段：局部评分（Local-Scoring）和全局评估（Global-Evaluation）。此外为提高性能，该框架也引入了动态采样（Dynamic Sampling）过程。

两阶段架构

首先，使用思维链提示法采样个推理链，每个推理链包括一个理由和一个答案，如果有个不同的答案生成，这些答案将被分类到个不同的桶中，每个桶代表一个答案集合。在局部评分阶段，对每个桶内的推理链进行评分。在全局评估阶段，从每个桶中选择代表进行评估，以确定最终输出。

局部评分：局部评分专注于在具有相同答案的组内选择高质量的推理链。假设有个推理链引导出一致的答案，这些推理链就形成一个桶，当这些推理链同时输入LLM时，根据提示中的评估标准（下图右上角黄色方框），LLM为每个推理链分配一个分数。然后基于预定义的阈值ϵ，高质量推理链被识别出来，并从这个筛选后的集合中选择前个作为桶的代表。
全局评估：全局评估的任务是在不同答案的推理链中区分和选择最佳推理链，以确定最佳推理过程。假设有个桶，每个桶选择一个代表，形成一组个代表。当这些代表同时输入LLM时，根据提示中的评估标准（下图右下角绿色方框），LLM为每个代表分配一个分数。
多轮评估：通过k轮评估，最终选择平均分数最高的桶作为最终答案。

动态采样

与此同时，AoR框架还创新性地引入了动态采样策略。利用全局评估阶段的分数，AoR根据当前LLM对最优推理链的信心水平来动态决定是否需要采样更多的推理链。这一策略使得AoR能够根据问题的复杂性和模型的当前表现来调整推理链的采样数量，有效地平衡了性能和计算成本，减少了不必要的计算开销。

动态采样的步骤如下：

确定两个关键答案：α（平均分数最高）和β（平均分数第二高）。
如果α和β之间的分数差距超过预定义阈值θ，则选择α作为最终答案并终止采样过程。
如果分数差距小于θ，AoR继续采样额外的个推理链，并根据既定标准评估这些新链的分数。
如果新采样的链引入了新答案或显著改变了分数排名，则需要在全局评估阶段重新评估以重新校准分数。

总的来说，动态采样在两种情况下停止：领先答案之间的信心差距达到或超过θ，或采样的推理链总数达到预定义的最大值。

实验

实验任务和数据集

本研究涉及三种推理任务：数学推理、常识推理和符号推理。

数学推理任务包括GSM8K、MultiArith、SingleEQ、SVAMP、AddSub和AQuA数据集。

常识推理任务涵盖StrategyQA、CommonsenseQA、BoolQ和ARC-C数据集。

符号推理任务则包括Date Understanding、Penguins in a Table、Colored Objects和Object Counting数据集。

实验结果与分析

AoR在六个数学推理数据集上的表现超过了所有基线方法。特别是在AQuA数据集上，AoR相比于次优方法DiVeRSe提高了7.2%的平均性能。

此外，AoR在常识推理任务中也表现出显著的性能提升，相比于SC和CC方法，平均提高了8.45%和8.27%。在符号推理任务中，AoR在Date Understanding和Penguins数据集上相比SC分别提高了5.8%和8.9%。

动态采样是AoR方法的一个关键特性，它根据LLM在最优推理链上的信心水平动态决定是否需要采样更多推理链。如下图所示，在AQuA和GSM8K数据集上，大部分样本在第一轮后就已经得到了满意的答案，只有少数更复杂的样本需要进一步的推理链。这种方法不仅提高了决策的准确性，还通过减少不必要的计算，实现了性能与计算成本之间的平衡。