可信大模型新挑战：噪声思维链提示下的鲁棒推理，准确率直降40%

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当前，大语言模型（Large Language Model, LLM）借助上下文学习（In-context Learning）和思维链提示（Chain of Thoughts Prompting），在许多复杂推理任务上展现出了强大的能力。

然而，现有研究表明，LLM 在应对噪声输入时存在明显不足：当输入的问题包含无关内容，或者遭到轻微修改时，模型极容易受到干扰，进而偏离正确的推理方向。如图 1 左所示，Q1 中的「We know 6+6=12 and 3+7=10 in base 10」 是关于 base-9 计算的噪声信息，该信息容易误导模型输出错误的结果。

图 1. 噪声问题（Noisy Questions）和噪声思维链（Noisy Rationales）的示例

已有的鲁棒研究大多侧重于噪声问题（Noisy Questions），然而，LLM 在噪声思维链（Noisy Rationales）下的推理还没有得到充分的探究。在本工作中，我们将噪声思维链定义为：包含不相关或者不准确推理步骤的思维链，如图 1 右侧 R1 中的「13 + 8 = 21」步骤，对于 base-9 计算来说，是错误的推理步骤。

这些噪声思维链通常源自 LLM 的实际应用，比如众包平台、对话系统、机器生成数据等场景，人类和机器在推理中都会不可避免地犯错，从而产生噪声思维链。因此，噪声思维链的实际影响和技术挑战不容小觑。当前，我们仍然不清楚 LLM 在面对噪声思维链提示时的鲁棒性能如何，也缺少有效的应对策略。因此，非常有必要构建一个新的数据集，用于系统评估当前 LLM 在噪声思维链场景下的鲁棒性，以及验证相应的鲁棒推理策略。

对此，我们构建了NoRa 数据集，并进行了大量的实验评测。结果表明，GPT-3.5-Turbo、Gemini-Pro、Llama2-70B 和 Mixtral-8x7B 等开源或闭源 LLM 都极容易受到噪声思维链的影响。其中，GPT-3.5-Turbo 的准确率至多可降低40.4%。因此，我们也呼吁大家更多地关注大模型推理的鲁棒性问题。

我们的主要贡献有如下三点：

• 新问题：对当前流行的思维链提示技术，我们提出了尚未充分探究的噪声思维链问题（Noisy Rationales），并给出了详细的问题定义和统一的问题建模；
• 新数据集：我们构建了 NoRa 数据集，用于评测 LLM 在噪声思维链提示下的推理鲁棒性。我们使用 NoRa 数据集对 LLM 展开系统评估，揭露了 LLM 推理的鲁棒性不足，数据去噪能力非常有限的问题；
• 新方法：我们设计了一种简单有效的方法（CD-CoT），基于单个正确的思维链示例，去纠正噪声思维链并完成推理，并通过大量实验验证了方法的有效性。

接下来将从新问题、新数据集、新方法这三个角度，简要地介绍我们关于大模型推理鲁棒性的研究结果，相关论文已发表于 NeurIPS 2024 会议。

• 论文标题：Can Language Models Perform Robust Reasoning in Chain-of-thought Prompting with Noisy Rationales?
• 论文链接：https://arxiv.org/pdf/2410.23856
• 代码链接：https://github.com/tmlr-group/NoisyRationales
• slides 链接：https://andrewzhou924.github.io/_pages/data/slides-NoRa.pdf

新问题：Noisy Rationales

思维链可以有效提升大模型的推理能力 [1]。具体来说，通过给出带有中间推理步骤的示例，LLM 可以很快地适应到新任务上，而无需进行参数修改（见图 2 右上角）。现有工作中，通常假设思维链包含清楚且正确的推理步骤，但实际情况可能并非如此。

图 2. 各种 setting 下的模型输入

目前，已经有许多工作探索了 Noisy Questions 对 LLM 推理性能的影响（见图 2 左下角），揭示了 LLM 对输入中微小修改的敏感性 [2,3]。

然而，在人工标注或机器生成的思维链中，可能会包含一些与问题不相关或不准确的推理步骤（见图 2 右下角），这些噪声思维链可能会对推理性能产生负面影响，但目前 LLM 对噪声思维链（Noisy Rationales）的鲁棒性依旧未知。

因此，本文提出了新的研究问题 Noisy Rationales：当示例的推理步骤中包含无关的或者不准确的内容时，LLM 的推理鲁棒性如何？对这一问题的探索，有助于深入理解和提升 LLM 在非完备场景中的推理能力。

新数据集：NoRa

为了评估 LLM 在噪声思维链下的鲁棒性，我们构建了 NoRa（Noisy Rationales）数据集，NoRa 涵盖了 3 种推理任务类型：数学推理、符号推理和常识推理，共包含26391个问题以及5种子任务。

一条思维链（Rationale）包含多个连续的推理步骤（Thoughts）；噪声思维链（Noisy Rationale）包含的噪声推理步骤（Noisy Thoughts）被定义为如下两类（示例见图 3）：

• 不相关噪声（Irrelevant Thoughts）是指对解决问题无用的信息，如在推断亲属关系时讨论探讨兄弟姐妹之间的基因重叠情况；
• 不准确噪声（Inaccurate Thoughts）则是推理中的事实性错误，如在特定进制计算中使用错误的计算规则。

图 3. NoRa 数据集的样本

在构建数据集时，我们通过插入 Noisy Thoughts 来生成噪声思维链，这些噪声仅影响推理链的细节，而不改变问题和最终答案的正确性。此外，我们使用不同的噪声比例（Noise Ratio，即 Noisy Thoughts 占所 Thoughts 的比例，如 0.3、0.5、0.8）来控制任务的困难程度，Noise Ratio 越大任务难度也越大。NoRa 数据集的统计信息如图 4 所示。

图 4. NoRa 数据集的统计信息

NoRa 数据集 测评结果

我们以 GPT-3.5-Turbo 为 base model，测试了其在 NoRa 上的表现，并且对比了多种去噪方法。这些去噪方法可以分为两类：

• 自我纠正方法（Self-correction）：包括 Intrinsic Self-correction (ISC) [4] 和 Self-polish (SP) [5]；
• 自我一致性方法（Self-consistency）：包括 SmoothLLM (SM) [6]，Self-denoise (SD) [7] 和 Self-consistency (SC) [8]。

图 5. 各种去噪方法 在 NoRa 数据集上的测评结果

实验结果（图 5）表明：

1. 无论采取哪种现有方法，LLM 都会受到噪声思维链的严重影响。具体来说，存在不相关噪声时，各方法的性能下降了 0.2% - 25.3%；存在不准确噪声时，各方法的性能下降了 0.1% - 54.0%；
2. 在 NoRa 的大多数任务中，自我纠正方法的表现不佳
3. 自一致性方法可以在一定程度上缓解噪声的影响，但无法做到真正的数据去噪

此外，我们还进行了各种消融研究，来探索不同因素对 NoRa 数据集评估结果的影响（见图 6），我们发现：

1. 调整温度系数可以改善模型在噪声思维链下的推理性能；
2. 使用更多的噪声示例可以提高大多数任务的推理性能；
3. 不同的大语言模型普遍容易受到噪声思维链的影响。

图 6. 消融实验：(左) 温度系数对性能的影响；(中) 示例个数对性能的影响；(右) 各种模型的性能

新方法：CD-CoT

根据测评结果，大语言模型在应对噪声思维链提示时，其自身的去噪能力非常有限；即便使用自我纠正或自一致性方法，效果仍不理想。

因此，我们认为有必要引入外部监督信号来增强模型鲁棒性，且这种监督信号既要足以实现去噪，又要在实际应用中切实可行。对此，我们提出了一种简单有效的去噪推理方法，CD-CoT（Contrastive Denoising with Noisy Chain of Thoughts）。

CD-CoT 借鉴了对比学习的思路，通过让 LLM 显式地对比有噪和干净的思维链，从而识别出噪声信息。方法主要包括四个关键步骤，步骤 1&2 进行显式的去噪，步骤 3&4 进行精细推理并获得最终答案。

四个步骤具体如下：

1. 改写思维链：借助一个干净的思维链示例，引导 LLM 通过对比改写和纠正噪声思维链，并生成多个改写的思维链（见图 7 step1）；
2. 选择思维链：通过答案匹配，筛选出改写后答案不变的思维链，形成精炼的候选集；再从中随机选取一定数量的思维链，用于后续的推理（见图 7 step2）；
3. 探索推理链：将选取的思维链排列成不同的上下文，与目标问题一同输入给 LLM，并采用较高的温度参数进行多次重复推理，以探索多样的推理路径（见图 8 step3）；
4. 答案投票：将所有得到的答案进行投票，得到最终答案（见图 8 step4）。

完整的 CD-CoT 算法请见图 9。

图 7. CD-CoT 算法的步骤 1&2

图 8. CD-CoT 算法的步骤 3&4

图 9. 完整的 CD-CoT 算法

CD-CoT 实验结果

我们在 NoRa 数据集上全面测试了 CD-CoT，并对比了多个需要额外监督信息的去噪方法（见图 10），我们发现：

1. 当面对噪声思维链时，与 base model 相比，CD-CoT 在所有数据集上的性能均有显著提升，准确率平均提升幅度达到 17.8%
2. CD-CoT 对高噪声表现出显著的抵抗力，尤其在更具挑战的数学推理任务中

图 10. 各种需要额外监督信息的方法 在 NoRa 数据集上的测评结果

此外，通过诸多消融实验，我们发现：

1. 关于 CD-CoT 超参数的消融实验结果显示，干净的思维链示例在 CD-CoT 中扮演着关键的角色；当变化 N,M,C 等超参数的取值时，准确性仅呈现出细微的变化（见图 11）。在论文中，我们默认采用 M 设为 2 的 CD-CoT 示例，以在效率和效果之间取得平衡；
2. CD-CoT 在不同的 LLM 上具有良好的泛化能力，与 base model（GPT-3.5-Turbo 和 Gemini-Pro）相比，其准确率分别提高了23.4%21.6%，并超越了所有基线方法（见图 12）。

图 11. 关于 CD-CoT 超参数的消融研究

图 12. 关于 CD-CoT 在不同 LLM 上的效果的消融研究

更多的实验分析和技术细节，请移步参阅我们的论文及源码，我们也将持续更新本工作的内容。

我们希望通过这项工作，呼吁人们更多地关注 LLM 推理的鲁棒性问题，并开展关于大模型推理鲁棒性的探讨与研究。非常感谢大家关注我们的工作！

参考文献

[1] Wei J, Wang X, Schuurmans D, et al. Chain-of-thought prompting elicits reasoning in large language models. NeurIPS 2022.

[2] Shi F, Chen X, Misra K, et al. Large language models can be easily distracted by irrelevant context. ICML 2023.

[3] Tian Q, Zhu H, Wang L, et al. R3 Prompting: Review, Rephrase and Resolve for Chain-of-Thought Reasoning in Large Language Models under Noisy Context. EMNLP 2023.

[4] Huang J, Chen X, Mishra S, et al. Large language models cannot self-correct reasoning yet. ICLR 2024.

[5] Xi Z, Jin S, Zhou Y, et al. Self-polish: Enhance reasoning in large language models via problem refinement. EMNLP 2023.

[6] Robey A, Wong E, Hassani H, et al. Smoothllm: Defending large language models against jailbreaking attacks. Arxiv 2023.

[7] Zhang Z, Zhang G, Hou B, et al. Certified robustness for large language models with self-denoising. Arxiv 2023.

[8] Wang X, Wei J, Schuurmans D, et al. Self-Consistency Improves Chain of Thought Reasoning in Language Models. ICLR 2023.

课题组介绍

香港浸会大学可信机器学习和推理课题组 (TMLR Group) 由多名青年教授、博士后研究员、博士生、访问博士生和研究助理共同组成，课题组隶属于理学院计算机系。课题组专攻可信表征学习、可信基础模型、基于因果推理的可信学习等相关的算法，理论和系统设计以及在自然科学上的应用，具体研究方向和相关成果详见本组 GitHub (https://github.com/tmlr-group)。

课题组由政府科研基金以及工业界科研基金资助，如香港研究资助局杰出青年学者计划，国家自然科学基金面上项目和青年项目，以及微软、英伟达、字节跳动、百度、阿里、腾讯等企业的科研基金。青年教授和资深研究员手把手带，GPU 计算资源充足，长期招收多名博士后研究员、博士生、研究助理和研究实习生。此外，本组也欢迎自费的访问博士后研究员、博士生和研究助理申请，访问至少 3-6 个月，支持远程访问。有兴趣的同学请发送个人简历和初步研究计划到邮箱 (bhanml@comp.hkbu.edu.hk)。