大模型思考词暗藏信息高峰,人大团队揭秘推理机制并开源无训练优化方案

2025-09-30 04:27:04 3437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,已在国际顶级期刊和会议发表论文100余篇,其中以第一作者/通讯作者身份在JMLR、IEEE TPAMI、Artificial Intelligence等顶级期刊及ICML、NeurIPS等国际会议上发表论文近50篇。

当大模型在解题时输出"Hmm..."、"Wait, let me think"、"Therefore..."等拟人化表达时,人们不禁要问:这些"思考词"究竟是模型真正的思维过程,还是刻意模仿人类的语言装饰?是认知突破的标志,还是迷惑用户的障眼法?

中国人民大学高瓴人工智能学院联合上海人工智能实验室、伦敦大学学院和大连理工大学的研究团队,在其最新论文中运用信息论工具,首次精准解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!这绝非偶然现象,而是真实的"信息高峰"与"决策拐点"。基于这一发现,团队还开发出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

重大发现一:推理过程中的"信息高峰"现象

研究团队通过追踪DeepSeek-R1等推理型大模型的隐空间表征,测量其与正确答案的互信息(MI)动态变化。令人惊讶的是,模型推理并非匀速推进,而是存在显著的"信息脉冲"——在特定步骤会出现突发的互信息峰值(MI Peaks),这些稀疏但关键的时刻如同黑暗中的指路明灯。理论分析表明,互信息积累程度与回答正确率呈正相关。

对比实验显示,未经推理训练的模型仅呈现微弱的信息波动,而经过强化训练的推理模型不仅整体信息量更大,且能产生明显的互信息峰值现象 。

重大发现二:"思考词"即信息高峰的语言表征

当研究者将这些信息高峰时刻的隐空间表征解码为自然语言时,发现它们最常对应三类标志性表达:反思型("Hmm")、逻辑型("Therefore")和行动型("Let")。实验证实,抑制这些"思考词"会显著损害模型在GSM8K等数学推理数据集上的表现,而随机屏蔽其他词汇则影响甚微,证明这些词汇确实是模型推理的关键节点。

创新应用:无训练性能提升方案

基于上述发现,团队提出两种实用方法:

1. 表征循环(Representation Recycling):在检测到思考词时,将对应表征重复输入模型进行深度处理。该方法在AIME24等数据集上实现最高20%的性能提升。

2. 基于思考词的测试时扩展(Thinking Token based Test-t  ime Scaling):在额外计算资源下,强制模型以思考词开头继续生成,引导深度推理。实验显示该方法能突破原始模型的性能瓶颈。

这项研究开创性地揭示了语言模型推理的动态机制,不仅为理解模型"黑箱"提供了新视角,更开发出切实可行的性能优化方案,对推动大模型推理能力的发展具有重要意义。

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