前言

相信每個 NLPer 心中都有對 Reasoning 的一片期冀。

當初筆者進入 NLP 的大門，就是相信：由于語言強大的表達能力以及語言模型強大的建模能力，Reasoning 一定就在不久的將來！可惜實際情況卻是......

直到我看到了 Yoshua Bengio 最近反復強調(diào)的 System 2 的概念，又重新燃起了心中的希望！

System 2 主要針對深度學習系統(tǒng)的 Reasoning 能力以及系統(tǒng)泛化(Systematic Generalization)等等。其中一個很重要的點是：sparse factor graph in space of high-level semantic variables. 結(jié)合 QA 的例子以及我淺薄的理解，這里做一些簡單的解釋：

factor graph : 從 Q 到 A 的機理，往往不是 Q -> A 這么簡單，實際人類在建模 QA 的時候，會在這條路徑上增添很多很多的輔助狀態(tài)以及相應的運作機理，例如 Causal Inference 中常說的 SCM (Structural Causal Model)

sparse : from attention to conscious processing. 人類不會同時關注所有的狀態(tài)(變量)，而只會關注其中一些比較重要的或者相關的狀態(tài)。通過這種主動的稀疏選擇，在面對 distribution change 的時候，能夠迅速更換另外的狀態(tài)和運作機理進行適應(adaptation).

high-level semantic variables : 這些狀態(tài)的表達，一般是一個高階的語義變量。

在今天這篇推文里，我們主要討論如何用語言模型（LM）實現(xiàn)這件事情。

那現(xiàn)在就以 Google Research 等的新文章 “Language Model Cascades” 開始，聊一聊 A Path Towards Universal Reasoning Systems.

總的來說，這篇文章是個 Proposal 性質(zhì)的文章，核心論點是：利用概率編程語言，重復地提示(prompt)或調(diào)整單個或多個互相關聯(lián)的語言模型，以進行復雜的多步推理。

這樣，基于一個端到端的學習目標，就能夠使用一個通用過程進行系列模型的 inference, 參數(shù)調(diào)整或者 prompt 選擇。

還是用 QA 的例子，一般的 QA 是這樣的：

我們有兩種方式去做這件事情(假設數(shù)據(jù)集為 )：

few-shot prompting (aka. in-context learning) : ，即將小樣本集作為輸入的上下文拼接在輸入的前面，而不去調(diào)整模型參數(shù)，常用于 GPT-3 等模型；

fine-tune : tuned on ，即使用訓練集調(diào)整模型參數(shù)。

然后，我們定義語言模型級聯(lián)(LM Cascades): 以從語言模型采樣出的字符串為隨機變量取值的一系列相互關聯(lián)的概率程序。

string-valued : 例如 P(A='老鼠'|Q='貓喜歡吃什么')

相互關聯(lián)的概率程序：可以簡單地理解為圖形式的模型鏈條，詳見下文。

成功的例子

Scratchpads & Chain of Thought

這類模型的 Cascades 如上圖所示，總的來說是一種 Question-Thought-Answer 的結(jié)構(gòu)：

理想情況下的概率建模為：

但在實際場景下, 通常我們只有一個 small set 由完整的 三元組組成, 以及一個 large set 由 對組成。因為缺乏完全的監(jiān)督數(shù)據(jù)，我們只能通過先驗預測分布 去建模：

Scratchpad[1] 和 Chain-of-Thought[2] 兩種模型所做的事情，本質(zhì)上是建模這個先驗預測分布(prior predictive distribution):

scratchpad : 通過精調(diào) (finetuning) 去做。

chain of thought : 將 作為 prompt, 即通過 few-shot prompting 去做。

多說一句：在全部的 上面進行求和顯然不現(xiàn)實，通常采用的方式是：使用 beam search 估計 ，然后在此之上進行求和。

Semi-Supervised Learning

仍然是 Question-Thought-Answer 的結(jié)構(gòu)，但在半監(jiān)督學習的設定下，我們是為 中的 Q-A 對新增一些未知隱變量 去解決。這樣就變成了一個比較典型的變分推斷問題。

這類方法比較典型的工作是：Self-Taught Reasoner (STaR) [3]，該模型使用 EM 算法進行優(yōu)化：

-步: 首先在 上精調(diào)模型，然后對于 , 通過在 上的拒絕采樣估計未知量 . 直到找到能夠?qū)е抡_回答 的 . (如果找不到, 就從 采樣) (這種方式也稱為 ：“rationale generation with rationalization”).

-步: 基于所估計的 上的 , 再次精調(diào)模型更新參數(shù)。

Selection-Inference

這類方法[4]將推理過程分為兩個部分：

選擇：給定問題 , 從事件集合 中選擇相關子集；

推斷：給定事件子集，推測新的事件集合。

Verifiers

這類方法[5]新增了一些驗證器 ，來判斷 Thought 或者 Answer 是否合理有效(valid)：

where

Tool-use

上面這些方法僅僅是 Language Model 的控制流，沒有外部的反饋(external feedback).

在 Cascades 的框架下，我們可以非常方便的引入外部工具，以進行額外的知識補充，比如：

calculator : Training verifiers to solve math word problems (https://arxiv.org/abs/2110.14168).

web : WebGPT: Browser-assisted question-answering with human feedback (https://openai.com/blog/webgpt/).

simulation : The frontier of simulation-based inference (https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1912789117)

Twenty Questions

再舉一個交互式問答的例子，如上圖，是 Big-Bench [6] 中的一個任務：兩個 agent, 分別叫做 Alice (A) 和 Bob (B). 在給定的游戲規(guī)則下，兩個 agent 進行語言交流，A 描述一個概念，B 去猜，然后 A 回答是或不是，直到 B 猜出來。

這樣一個過程也能很容易地歸結(jié)到 Cascades 的框架中去。

未來

回到最初的問題，Sparse Factor Graph 以及 High-Level Semantic Variables. 我們可以先拋棄掉 Causal Mechanism 等復雜的問題，先只去考慮這種簡單的 Cascading Mechanism.

筆者一直覺得，只用一個模型 One-For-All 肯定是行不通的：雖然我們有 Gato [7] 等所謂的 Generalist Agent，我們也很難 claim 這些模型有 Human-level 的 Out-of-Distribution 的泛化能力，或者 Systematic Generalization. 這也符合 No-Free-Lunch Theorem 一直以來告訴我們的事情。這是第一點。

第二點是，對于 Universal Reasoning 而言，本質(zhì)的問題并不是如何 encode 盡可能多的知識到單個模型當中，而是：How to re-use pieces of knowledge.

那么基于這兩點，就涉及到一個模塊化的問題：我們能不能定義一些模塊化的知識以及這些模塊之間的交互方式，來實現(xiàn)更加本質(zhì)的 Reasoning (參考：Is a Modular Architecture Enough? [8])

LM Cascades 就是這個思想的一個很好的嘗試：不同的語言模型對應著不同功能的知識模塊，然后通過人為定義的交互 Graph 來執(zhí)行特定的任務。這么做的好處至少是：

端到端的模塊化：以一種端到端的方式，做到了不同語言模型，根據(jù)其所執(zhí)行的不同功能，進行專門的精調(diào)優(yōu)化(finetuning)或者提示優(yōu)化(prompting)。

sparse factor graph : 以一種人為定義的方式，指定了任務內(nèi)在的知識結(jié)構(gòu)，比如將 Q->A 分解為 Q->T->A 等。這也是近期各種 Chain-of-Thoughts 相關工作令人興奮的點，例如 AI Chains [9] 等。這種知識結(jié)構(gòu)是稀疏的，因為我們?nèi)藶槎x了某個 LM 是基于哪個特定的 LM，而不是全部 LM.

high-level semantic variables : 語言的表達能力是極大的，因此，以 language 作為 variable value 的一個圖結(jié)構(gòu)，具有非常強大的對于實際問題的建模能力。當然，language 只是一個選擇，high-layer hidden states 也是一個（可能更好的）選擇。

當然，不只有語言模型可以級聯(lián)，多模態(tài)模型也能夠級聯(lián)：比如同樣來自 Google 的 Socratic Models [10], 就級聯(lián)了三個模態(tài)(語言-視覺-音頻)的語言模型，達到了很好的零樣本多模態(tài)推理能力。

因此，筆者相信 LM Cascades 體現(xiàn)出了 Reasoning System 的未來：(1)模塊化、(2)稀疏化、(3)結(jié)構(gòu)化。

這樣一個系統(tǒng)，以語言為媒介，最好可以通過一種端到端的方式去進行優(yōu)化。從這個角度看，這個 Proposal 還有很多需要探索的點，例如：

既然“端到端+手工Cascading“可以同時做到這三點，那么有沒有什么辦法，把 Cascading 也納入到端到端的過程中呢(即以一種自動或者可微的方式進行)，以找到一種稀疏的條件結(jié)構(gòu)？

有沒有什么更好的模塊化機制？

推理速度...

等等。