CoT是否仍是增強Reasoning能力的必要工具？

2025-06-07 15:02 機器學習演算法與自然語言處理

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來源 | 深度學習自然語言處理
近年來，推理大語言模型（RLLMs）透過內建的鏈式思考（CoT）能力，在複雜任務中展現出顯著優勢。然而，傳統LLMs依賴外部CoT提示（如少樣本示例）提升效能，但研究人員擔心這種策略可能對RLLMs無效甚至有害。本文首次系統探究了零樣本CoT（僅新增“逐步思考”指令）和少樣本CoT對RLLMs的影響，並提出了關鍵問題：CoT提示是否仍是增強RLLMs推理能力的必要工具？

論文：Innate Reasoning is Not Enough:In-Context Learning Enhances Reasoning Large Language Models with Less Overthinking連結：https://arxiv.org/pdf/2503.19602

CoT提示對RLLMs的四大作用：提升效能、控制思考令牌數、調節推理步驟、抑制過度反思

方法與實驗

實驗覆蓋1.5B至32B引數的RLLMs（如DeepSeek-R1系列），並在6個數學推理資料集（GSM8K、MATH、AIME24等）上測試。透過對比直接提示、零樣本CoT和少樣本CoT，評估以下指標：
  • 準確性：答案正確率
  • 思考令牌數：模型輸出中用於推理的token數量
  • 推理步驟：邏輯分解的步驟數
  • 反思頻率：如“Wait”“Double-check”等自我修正語句的出現次數

不同模型在多個數據集上的準確性對比

主要發現

  • 效能提升的普遍性：72%的實驗場景中，CoT提示顯著提升RLLMs準確性，如R1-1.5B在GSM8K任務中零樣本CoT提升475.4%。
  • 模型容量與任務複雜度的互動效應：
    • 大模型（如32B）在複雜任務（如AIME24）上提升顯著（最高333%），而在簡單任務（如GSM8K）上增益微弱（0.6%）。
    • 小模型（如1.5B）則相反，簡單任務提升顯著（475%），複雜任務增益有限。
  • 單樣本CoT的優越性：與LLMs不同，RLLMs在單示例提示下表現最佳（如R1-32B在AIME24上提升467%），多示例可能引入干擾。
  • 過度反思的抑制：CoT提示可將反思頻率降低約90%（如R1-32B在AIME24上從414次/問題降至2.56次）。

對比不同提示方法下模型的反思頻率

深度分析

  • 思考令牌分佈：直接提示下令牌數分散，而CoT提示（尤其是少樣本）使分佈集中，減少冗餘。

MATH資料集上不同提示方法的令牌分佈差異
  • 推理步驟與準確性的關係：複雜任務中，步驟數與準確性正相關，但簡單任務存在“倒U型”關係（步驟過多導致效能下降）。

步驟數與準確性的相關性
  • 注意力機制揭示的過度反思根源：RLLMs對“Wait”“Double-check”等詞的注意力權重顯著高於基模型，表明其訓練過程中過度擬合自修正機制。

對比R1-8B與基模型的注意力分佈差異

結論與意義

本文證實了CoT提示對RLLMs的必要性：
  1. 效能最佳化：透過單樣本CoT實現高效推理。
  2. 行為調控：抑制過度反思，減少冗餘計算。
  3. 工程啟示：需根據模型容量和任務複雜度動態選擇提示策略。未來研究可探索更精細的提示設計，或結合強化學習進一步最佳化RLLMs的反思機制。

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