大模型思考词暗藏信息高峰,中国人民大学团队揭秘互信息峰值提升推理能力20%

2025-09-28 10:10:44 913次浏览

  

中国人民大学长聘副教授、博士生导师刘勇,作为国家级高层次青年人才,长期致力于机器学习基础理论研究。他在机器学习领域顶级期刊JMLR、IEEE TPAMI、Artificial Intelligence及顶级会议ICML、NeurIPS等发表论文100余篇,其中以第一作者/通讯作者发表近50篇。

你是否注意到,大模型在解题时常常会输出"Hmm..."、"Wait, let me think"、"Therefore..."等拟人化的"思考词"?这引发了一个核心问题:这些词汇究竟是模型真实的"思考"体现,还是仅为模仿人类而设计的语言修饰?是真正的"顿悟",还是精心设计的"障眼法"?

最新研究给出了确凿答案。由中国人民大学高瓴人工智能学院、上海人工智能实验室、伦敦大学学院(UCL)和大连理工大学组成的联合团队,在其发表的论文中首次运用信息论方法,精准剖析了大模型内部的推理机制。研究发现:

当这些"思考词"出现时,模型隐空间中关于正确答案的信息量会呈现数倍激增!这绝非偶然的语言装饰,而是真实的"信息高峰"与"决策拐点"!基于这一发现,研究团队还提出了无需额外训练即可显著提升模型推理性能的创新方法,相关代码已开源。

论文题目:Demystifying Reasoning Dynamics with Mutual Information: Thinking Tokens are Information Peaks in LLM Reasoning

论文链接:https://arxiv.org/abs/2506.02867

代码链接:https://github.com/ChnQ/MI-Peaks

核心发现一:推理过程中的"信息高峰"现象

研究团队追踪了DeepSeek-R1系列蒸馏模型等擅长推理的大模型在解题时的隐空间表征。通过测量每一步表征与最终答案的互信息(Mutual Information, MI),发现模型推理并非匀速进行,而是存在显著的"信息脉冲"——在特定步骤,互信息值会突然飙升,形成"互信息峰值"(MI Peaks)。

理论分析表明(定理1&2),推理过程中积累的互信息越高,模型回答正确的概率就越大。对比实验显示,非推理模型(non-reasoning LLMs)的互信息波动明显更小,峰值现象较弱,这证实推理能力强化训练能显著提升模型编码正确答案信息的能力。

核心发现二:"思考词汇"是信息高峰的语言表征

研究发现,这些互信息峰值时刻的隐空间表征,在解码到词汇空间时,最常对应的正是各类"思考词":

  • 反思/停顿型:"Hmm"、"Wait"
  • 逻辑/过渡型:"Therefore"、"So"
  • 行动型:"Let"、"First"

干预实验证实,抑制这些"思考词汇"的生成会显著降低模型在GSM8K、MATH等数学推理数据集上的表现,而随机屏蔽普通词汇则影响甚微。这表明这些词汇确实是模型推理过程中的关键信息载体。

创新应用:无需训练的性能提升方法

基于上述发现,研究团队提出了两种实用方法:

方法一:表征循环(Representation Recycling - RR)

当检测到思考词汇生成时,将其对应表征重新输入模型进行额外计算。在GSM8K、MATH5 00等基准测试中,该方法使DeepSeek-R1-Distill-LLaMA-8B在AIME24上的准确率相对提升20%。

方法二:基于思考词汇的测试时扩展(TTTS)

在额外计算预算下,强制模型以思考词汇开头继续生成内容。实验显示,该方法能持续提升模型性能,在token预算达到6144时超越原始模型表现。

研究意义

该研究首次揭示了LRMs推理过程中的互信息峰值现象,为理解模型推理机制提供了新视角。提出的RR和TTTS方法,为提升模型推理能力提供了切实可行的方案,具有重要的理论和应用价值。

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