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GPT-4数学准确率达到84.3%!港中文、清华等七所顶尖高校提出创新的CSV方法

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虽然大型语言模型(LLMs)在常识理解、代码生成等任务中都取得了非常大的进展,不过在数学推理任务上仍然存在很大改进空间,经常会生成无意义、不准确的内容,或是无法处理过于复杂的计算。最近推出的一些语言模型,如GPT-4和PaLM-2,在数学推理方面取得了重大进步。尤其是OpenAI最新版本的模型GPT-4CodeInterpreter,在较为复杂的数学推理数据集上展现出了出色的性能为了探索「代码生成任务」对「语言模型推理能力」的影响,来自香港中文大学、南京大学、中国科学技术大学、清华大学、香港城市大学、长沙

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    虽然大型语言模型(LLMs)在常识理解、代码生成等任务中都取得了非常大的进展,不过在数学推理任务上仍然存在很大改进空间,经常会生成无意义、不准确的内容,或是无法处理过于复杂的计算。

    最近推出的一些语言模型,如GPT-4和PaLM-2,在数学推理方面取得了重大进步。尤其是OpenAI最新版本的模型GPT-4 Code Interpreter,在较为复杂的数学推理数据集上展现出了出色的性能

    为了探索「代码生成任务」对「语言模型推理能力」的影响,来自香港中文大学、南京大学、中国科学技术大学、清华大学、香港城市大学、长沙理工大学和塔夫茨大学的研究人员联合发布了一篇论文,通过在代码使用频率(Code Usage Frequency)上引入不同的约束限制进行实验验证。

    GPT-4数学准确率达到84.3%!港中文、清华等七所顶尖高校提出创新的CSV方法

    论文链接:https://arxiv.org/abs/2308.07921

    实验结果显示,GPT-4 Code Interpreter模型的成功在很大程度上要归功于「在生成和执行代码、评估代码执行的输出以及在收到不合理的输出」时纠正其解决方案方面的强大能力。

    基于上述结论,研究人员提出了一种新颖且高效的提示方法,显式的基于代码的自我验证(CSV, code-based self-verification),以进一步提高GPT-4代码解释器的数学推理潜力。

    该方法在GPT-4 Code Interpreter上采用zero-shot提示,以促使模型使用代码来对答案进行自我验证。

    在验证状态为「假」的情况下,模型将自动修改其解决方案,类似于人类在数学考试中纠错的过程。

    此外,研究人员还发现验证结果的状态可以指示解决方案的置信度,并进一步提高多数表决的有效性。

    通过结合GPT-4 Code Interpreter和CSV方法,在MATH数据集上的零样本准确率实现了从54.9%到84.3%的显著提升

    LLM的推理能力从何而来?

    为了研究GPT4-Code对解决数学问题的能力受代码使用的影响,研究人员采用了一种直接的方法,即通过设计精心的提示来限制GPT4-Code与代码的交互

    具体包括两种代码限制提示以及一种基础提示用来对比:

    GPT-4数学准确率达到84.3%!港中文、清华等七所顶尖高校提出创新的CSV方法

    重写内容:提示1:禁止使用代码

    GPT4-Code不允许在其解决方案中添加代码,也就是说模型只能完全依赖自然语言(NL)推理链,类似于思维链(CoT)框架中的解决方案,由此产生的推理步骤序列叫做CNL,如上图中(a)所示。

    重写内容:请注意:代码只能使用一次

    GPT4-Code只能用单个代码块内的代码来生成解决方案,类似于之前的PAL方法,论文中将此序列称为CSL,即使用符号语言(SL),如Python进行推理,上图中(b)为样例。

    重写内容:基本提示:对于代码的使用没有任何限制

    推理序列可表示为GPT-4数学准确率达到84.3%!港中文、清华等七所顶尖高校提出创新的CSV方法,其中每个步骤都由自然语言和 Python 代码组成,示例如上图中(c)所示。

    在这项研究中,除了以上所述的内容,研究人员还考虑了代码使用频率对不同提示下代码执行次数的影响。他们发现,GPT4-Code的高性能与高代码使用频率之间存在正相关关系

    GPT-4数学准确率达到84.3%!港中文、清华等七所顶尖高校提出创新的CSV方法

    具体来说,提示2的代码量是提示1的两倍,并且提示2的准确率比提示1提高了6.9%。这表明使用Python代码链CSL比自然语言链CNL更能提高计算能力。这个观察结果与之前基于Python的提示方法的结果一致

    然而,只能使用一次的代码存在一些缺陷。当代码输出出现错误或产生意外结果时,模型无法自我调试

    在对比提示2和基本提示时,可以发现,基本提示始终能生成包含多个代码使用实例的解决方案,即代码使用频率更高,并且基本提示的准确性也明显提高。

    具体可以归因于代码的两个优势有以下几点:

    1. 生成一些简短的代码块,可以分割自然语言推理步骤,从而带来更高的准确率;

    2. 模型有能力评估代码执行结果,并在结果中发现错误或不合逻辑的解决步骤,并进行修正。

    基于代码的自验证CSV

    通过对代码使用频率分析观察结果的启发,研究人员决定利用GPT4-Code的代码生成、代码评估、代码执行以及自动调整解决方案等能力,以增强方案验证并提高推理性能

    CSV的主要流程是通过对GPT-Code输入提示进行代码生成来验证答案的正确性

    对于验证方案C的结果V,可以分为三类:真、假、不确定

    GPT-4数学准确率达到84.3%!港中文、清华等七所顶尖高校提出创新的CSV方法

    将CSV与模型结合后,我们可以使用代码来验证答案。如果验证结果显示为“错误”,我们可以审查并调整解决方案,以获得正确答案

    GPT-4数学准确率达到84.3%!港中文、清华等七所顶尖高校提出创新的CSV方法

    在对初始解决方案进行完善和修正之后,准确率可以得到明显的提升

    需要注意的是,验证和修正阶段都是基于代码的,因此必然会导致代码的使用频率增加

    在 GPT4-Code 出现之前,先前的框架大多依赖于外部LLM使用自然语言进行验证和精心设计的少样本提示。

    相比之下,CSV方法仅依赖于GPT4-Code的直接提示,以零样本的方式简化了流程,利用其先进的代码执行机制来自主验证和独立修正解决方案。

    GPT-4数学准确率达到84.3%!港中文、清华等七所顶尖高校提出创新的CSV方法

    研究人员还将验证阶段集成到了加权多数表决中,为验证过程的各个状态分配了不同的权重

    为了防止答案被确认为「假」后不再进行其他验证,研究人员将三种状态分配了不同的权重:wT, wF和wU,可以增加系统的可靠性。

    为了简单起见,集成算法从k个解决方案中提取一对最终答案及其相应的验证结果,表示为GPT-4数学准确率达到84.3%!港中文、清华等七所顶尖高校提出创新的CSV方法其中v和a分别代表第i个最终答案和最终验证结果。

    所以,候选答案 a 的投票得分可以用以下方式表示:

    GPT-4数学准确率达到84.3%!港中文、清华等七所顶尖高校提出创新的CSV方法

    最终,从所有候选答案中选择得分最高的答案:

    GPT-4数学准确率达到84.3%!港中文、清华等七所顶尖高校提出创新的CSV方法

    实验结果

    MATH数据集

    GPT4-Code在MATH基准上的准确率达到了69.69%,明显超过了之前的方法(53.90%),这表明GPT4-Code在解决数学问题方面展现出了强大的能力

    在GPT4-Code的基础上,文中提出的CSV方法进一步提高了准确性,将准确率提高到了73.54%;

    GPT-4数学准确率达到84.3%!港中文、清华等七所顶尖高校提出创新的CSV方法

    在加入基于代码的显式自我验证和验证引导的加权多数投票(采样路径数为 16)后,结果进一步提高到了84.32%

    需要注意的是,尽管增加基于代码的自我验证可以提高题目的得分,但具体程度会因题目的难度和形式而有所不同

    其他数据集

    研究人员还在其他推理数据集上应用了CSV方法,包括GSM8K、MMLU-Math和MMLU-STEM

    GPT-4数学准确率达到84.3%!港中文、清华等七所顶尖高校提出创新的CSV方法

    从结果上来看,CSV+GPT4-Code在各个数据集上都取得了最优的结果。

    与带有模型选择功能的GPT-4和 PHP相比,验证引导的多数表决是减少采样路径数量的有效框架。

    在MMLU-Math和MMLU-STEM数据集上进行的CSV方法与现有模型的性能对比显示,开源模型明显优于闭源模型

    为了弥补这一差距,研究人员表示目前已经开始着手准备制作数据集,并将在不久的将来公开发布。

    其他开源LLM模型,例如LLaMA 2,可以使用这个数据集进行微调,从而进一步提高数学推理能力

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