增强大模型的推理能力：从思维链到连续思维链（上）

增强大模型的推理能力：从思维链到连续思维链（上）

增强大模型的推理能力一直是AI工程师们追求的重要目标。从最初的思维链（CoT）到自动思维链（Auto-CoT），这项技术经历了多个阶段的发展。本文将从技术发展史的角度，详细剖析增强大模型推理能力的技术演变过程。

为什么要研究大模型推理能力？

增强大模型的推理能力，一直是工程师们孜孜以求的方向。强大准确的推理能力，不仅是迈向通用人工智能的关键，也是工程应用落地成功的关键。今年9月，OpenAI推出新款AI大模型o1，大大地增强了ChatGPT推理能力，解决复杂问题能力远超GPT-4o。12月初，OpenAI在发布会上又展示了一种叫“强化微调”的算法，开发者只需提供最低「几十个」高质量的任务数据，就能实现领域专家模型的定制，震撼全场。

大模型推理能力的局限性

ChatGPT自诞生时，以其流畅的对话能力吸引人们的目光。然而，人们很快就发现，在一些需要推理的场合，大模型开始一本正经地胡说八道。一个经典的例子是：

问：单词 "strawberry" 中有几个字母r？
模型回答：单词 "strawberry" 中有两个字母 "r"。

人们衡量大模型推理能力一般包括以下几个方面：算术推理、常识推理、逻辑推理和符号推理等等。算术推理的例子如：罗杰有5个网球。他买了2罐网球，每罐有3个网球。他现在有多少个网球？常识推理的例子如：萨米想去人多的地方。他可能会去哪里？选项：(a) 赛道 (b) 人口密集的地区 (c) 沙漠 (d) 公寓 (e) 路障。逻辑推理的例子如： 一枚硬币正面朝上。梅贝尔翻转了硬币。莎隆达没有翻转硬币。硬币还是正面朝上吗？

推理能力是迈向高级智能的基础。增强大模型推理能力的道路在哪里呢？

思维链（CoT）的提出

在探索增进大模型的推理能力的方面，首先登场的是2022年的一位本科毕业的年轻人Jason Wei。在其论文里首次提出大模型“思维链”（Chain-of-Thought，CoT）的概念。

他发现：对于一个较为复杂的推理问题，在提示词中，通过向大语言模型展示一些少量的样例，在样例中分解求解的过程步骤，大模型在回答这个复杂的推理问题时，也会遵循类似的求解的过程步骤，并且较为准确地得到最终答案。

在他之前，人们也发现了大模型具有少量样本（few-shot）学习的能力。即提示词中展示少量样本，大模型能够依照样本的示例执行任务。思维链（CoT）提示与少量样本（few-shot）提示的区别在于少量样本（few-shot）提示只展示了最终结果，而思维链（CoT）提示既展示了最终结果，也展示了中间步骤。少量样本只展示最终结果不展示中间步骤，在面对复杂推理问题时，不足以引导到大模型得出正确的最终答案。

很显然，这种“思维链”提示技术有个明显的局限，那就是写提示词的人，需要知道如何分解解题步骤。一方面，人工编写的思维链提示词质量参差不齐，难以稳定地保证效果。另一方面，一些复杂的任务，需要复杂的思维链（如一些数学证明题），普通人不一定写得出来。如果写得出这种提示词，人工已经基本上把问题解决了，再来让大模型生成答案，似乎有点鸡肋，意义不大了（相当于人工已经把解题步骤一步一步详细地都拆解告诉了模型，只差最终答案没写了）。

零样本思维链（Zero-Shot CoT）

当人们发现“思维链”可以提高大模型的推理能力后，许多人转向了这方面的研究。Kojima等人（2022）首先发现并提出了“零样本思维链（Zero-Shot CoT）”。与Jason Wei的思维链提示不同，因为它不需要少样本示例，只需要在提示词中添加“让我们一步一步地思考”，或类似的文本。大模型就会自动生成解题步骤（尽管这些步骤有时是错误的）。这也是大模型一个很重要的现象。这意味着，大模型具有一定的分解任务步骤的能力。

至于为何大模型具有此种能力，直到目前为止大家都还未达成共识。一般认为这是大模型“涌现”所带来的能力。

通过提示词“让我们一步一步地思考”，存在的局限是，自动生成的解题步骤，存在着一些错误，尤其是在参数量较小的模型中。

自动思维链（Auto-CoT）

现在我们了解大模型有两个特性了：一是：通过思维链提示的方式，可以引导大模型完成需要复杂推理的任务；二是：通过提示词“让我们一步一步地思考”，大模型就会自动生成解题步骤。这两个特性都各自存在着局限性。

在这种情况下，结合了大模型上述两种特性，Zhang et al. （2022）提出了一种叫做自动思维链（Auto-CoT）的技术。

Auto-CoT提出自动构建带有问题和推理链的样本演示，由两个部分组成：先是问题聚类。将给定问题划分成几个聚类，从每个聚类中选择一个有代表性的问题，利用零样本思维链（Zero-Shot CoT）为每个问题生成推理链。例如：一共有K个聚类，会抽取K个问题，用提示词“让我们一步一步地思考”，生成K套思维链步骤。当向大模型提出一个新问题后，系统将K套思维链步骤作为提示词和新问题一并输入大模型，并完成作答。

自动思维链（Auto-CoT）就像一位经验丰富的高考辅导培训老师，先分析历年高考试卷，归纳出知识点和题型，针对每个知识点和题型再归纳出一套解题步骤和方法（即每个知识点和题型一套思维链）。作为考生的大模型，带着这K套解题步骤和方法，来解答每一道题。

很显然，自动思维链（Auto-CoCT）的优势在于，不需要手工分解解题步骤，不需要编写思维链提示词。这是一个很大的进步。但是，这种技术的也有一个明显的局限：需要对问题集划分成几个聚类，对每个聚类都要生成一组思维链提示词，并且这些提示词还要一并输入到大模型里。聚类太少，思维链的多样性不够；聚类太多，提示词太长，效率太低。