LLM群体智能崛起，数学性能暴增11.6%！谷歌DeepMind四大机构联手新作

多个LLM联合，可以迈向更强大系统！最新研究发现，GPT-4能够提升同伴的性能，能够让数学能力暴涨11.6%。

AI如何成为「更强的AI」？

最关键还是，得学会「借力」。

来自蒙特利尔大学、剑桥、普林斯顿、谷歌DeepMind四大机构研究人员联手，竟发现：

GPT-4能够帮助其他LLM，在数学性能上暴增11.6%，而且是通过一种「元认知」的方式。

论文地址：https://arxiv.org/pdf/2405.12205

在这个过程中，GPT-4可以始终如一地，标记数学问题所需的解决技能。

当LLM获得了由GPT-4生成的技能标签时，它们在解决相应的数学问题时，就会得到相应地表现得更好。

有网友做了一个精辟的总结，这便是「群体智能」。

AI元认知，数学最考验

元认知，原本是指，人类对自己思维、推理过程的直观认识。

那么，大模型也具备「元认知」的能力吗？

研究人员对此，提出了一种假设，并设想是否可以通过知识引导，进一步提高LLM的能力。

其实，此前的研究已经表明，大模型表现出一些类人的特征，比如通过CoT一步一步推理。

而且，也有一些研究称，LLM具备了元认知能力。

比如，这篇来自谷歌、UCSD等机构2月论文提出了Ask-LLM，并称想要破译LLM元认知，最直接方法就是——问！

论文地址：https://arxiv.org/pdf/2402.09668

在最新研究中，作者将重点放在了AI元认知，在解决数学问题时，所应用的技能。

因为数学领域中，覆盖了人类丰富的技能目录，从简单的（变量运算、求解方程、掌握函数的概念），到复杂的（定理和证明）。

自动化技能发现

如下图所示，研究人员描述了，让GPT-4根据数学问题，所需的特定技能对数学问题进行分类的自动化过程。

这里一共划分为两个阶段：

首先，创建技能示例仓库。

功能强大的LLM A会用相应地技能，标记每个问题，如下图2（左）中，提供的提示中详细介绍的那样。

接下来，LLM A要求将类似的细粒度技能，组合成广泛的技能集群，代表着复杂的技能。

这大大减少了，第一阶段的独特技能数量，如图2（中）描述的提示。

然后，大模型被要求，将训练集中的所有示例，重新分类为一种后聚类技能。

第二阶段，是推理。

在使用LLM B（其中B可能与A不同），对测试问题进行推理期间，要求LLM B使用技能示例仓库中，一项技能来标记测试问题。

接下来，研究人员从仓库中，获取具有相同技能标签的范例，并向LLM B提供主题上下文示例，以帮其解决测试问题。

举个例子，对于MATH数据集，第一阶段识别了约5000个技能，第二阶段将其减少到117个粗粒度技能。

代表粗粒度技能的随机子集例子被保留作为其技能示例。

针对不同数据集，所列出的技能表，这些技能名称由GPT-4-0613提供。

下图中，展现了一些在数学领域中的技能。

实验结果

接下来，研究人员描述一种LLM在提取元认知知识的程序，这种只是以数学问题技能标注形式呈现。

结果表明，技能知识显著改善了不同数据集上，基于文本和程序的提示性能。

此外，这些技能表现出强大的可迁移性，提升其他数学数据集和LLM的数学推理能力。

具体结果如下所示。

论文中，主要研究了两种主要类型的上下文提示方法，以增强法学硕士的数学推理能力。

首先是，基于文本的提示，利用文本示例来演示解决问题的步骤，思想链（CoT）就是一个很好的例子。

其次是，程序辅助提示，使用程序来展示推理步骤，如程序辅助语言模 型 (PAL) 中所示。

表2展示了，MATH数据集上，基于文本的提示结果。

研究人员基于技能的方法采用CoT提示，在MATH数据集中的所有话题中，表现出优于所有其他方法的性能。

研究者利用技能示例库，解决GSM8K数据集中的测试集问题。

结果如表3所示，基于技能的方法在GSM8K数据集上的表现，优于CoT和随机基准方法，并强调了准确技能分配、相关上下文示例在有效问题解决中重要性。

此外，基于技能方法与自洽性，带来了更好的性能。

对于SC实验，研究人员从LLM中采样5个推理链，并选择最频繁的答案。

为了进一步强调所提出方法的有效性，他们将其与Retrieval-RSD方法进行比较，后者也是一种用于少样本提示的相关上下文示例选择方法。

MATH数据集的结果，如表2所示。

对于此分析，研究人员提出的方法采用简单的思想链 (CoT) 方法，其中上下文示例源自技能示例仓库。

新方法在性能上取得了显著的进步，超出了标准CoT 11.6%，令人印象深刻。

另外，新方法也要比复杂CoT好3.5%，比基于主题方法高3.5%。

这些结果，凸显了方法的有效性，特别是细粒度技能标签。

技能示例，向其他模型的迁移结果如下所示。

所有实验都使用MATH数据集在Mixtral 8 × 7B模型上进行，与标准思维链（CoT）、使用基于主题示例的CoT、使用基于技能示例的CoT、以及使用主题和技能示例的CoT加自洽性（maj@4）进行比较。

新技能的方法表现出的增强性能表明，技能可以有效地从GPT-4迁移到另一个模型。

表7说明了，基于技能的方法使LLM能够有效应用相关技能的实例。

红色加亮的文本，显示了基于主题的基线在概念上的错误，而蓝色加亮的文本，则展示了娴熟而准确的技能应用。

表6呈现了，新论文所提出的方法，在4个案例中实现了最高准确率。

总之，作者提出一个LLM提取元认知知识框架，其形式是根据解决问题所需的概念，对数学数据集中的问题进行分类的技能。

目前，新框架依赖于GPT-4等高级模型的可用性。

然而，技能发现过程改进了GPT-4的情境学习，这表明使用技能来微调GPT-4可能会提高其能力。

参考资料：

https://x.com/emollick/status/1832583991498608918