大模型思考词汇暗藏信息高峰,中国人民大学团队揭秘推理动态并开源提升方法

2025-09-28 06:49:00 4180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。其学术成果丰硕,已在国际顶级期刊和会议上发表论文100余篇,其中以第一作者/通讯作者身份在JMLR、IEEE TPAMI、Artificial Intelligence等权威期刊及ICML、NeurIPS等顶尖会议发表论文近50篇。

大语言模型在解题时常常会输出"Hmm..."、"Wait, let me think"、"Therefore..."等拟人化的"思考词汇",这一现象引发了学界深思:这些表达究竟是模型真正的思考过程,还是仅为模仿人类行为的语言修饰?它们代表着模型的"顿悟时刻",抑或只是干扰判断的"烟雾弹"?

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、伦敦大学学院和大连理工大学组成的联合团队,在最新论文中创新性地运用信息论方法,首次精准解析了大模型内部的推理动态。研究发现:当这些"思考词汇"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!

这一现象绝非偶然,而是真实的"信息高峰"与"决策拐点"。基于此发现,研究团队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

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(MI),发现模型推理并非匀速进行,而是存在显著的"信息脉冲"——在特定步骤会出现突发的互信息峰值(MI Peaks)。这些稀疏但关键的峰值点,犹如推理路径上的强光路标。

理论分析证明(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上限和下限就越紧凑。对比实验显示,非推理模型的互信息波动明显更弱,表明推理能 力强化训练不仅能提升整体信息编码能力,还能催生互信息峰值现象。

核心发现二:"思考词汇"的信息本质

研究发现,这些互信息峰值时刻的表征在解码回词汇空间时,最常对应的正是各类"思考词汇":包括反思型("Hmm")、逻辑型("Therefore")和行动型("Let")等。干预实验证实,抑制这些词汇生成会显 著损害模型在GSM8K等数学推理数据集上的表现,而随机屏蔽普通词汇则影响甚微。

创新应用:提升推理性能的新方法

基于上述发现,团队提出两种无需训练的创新方法:

1. 表征循环(Representation Recycling):当检测到思考  词汇时,将其对应表征重新输入模型进行额外计算。在AIME24等基准测试中,该方法使DeepSeek-R1-Distill-LLaMA-8B的准确率相对提升20%。

2. 基于思考词汇的测试时扩展(TTTS):在剩余token预算时,强制模型以思考词汇开头继续生成,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,在token预算充足时实现持续提升。

该研究首次通过互信息动态追踪揭示了LRMs的推理机制,为理解模型"黑箱"提供了新视角。研究者期望这项工作能推动对模型推理机制的深入理解,并为提升推理能力提供可行方案。

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- 广告创意与定向:确保广告创意能够引起用户的兴趣,同时通过精准的定向投放,提高广告的转化率。

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