深度学习自然语言处理 原创
作者 | 鸽鸽

这段时间in-context learning真的很火，陈丹琦组最新的两篇文章都是ICL相关，今天我们拜读其中一篇：丹琦的硕士生、纽约大学准博士生Jane Pan的ACL小短文。

大佬的学生会做出怎样的科研示范呢？我们来瞧一瞧！有利于揭秘ICL的内部工作机制嗷~

论文：What In-Context Learning "Learns" In-Context: Disentangling Task Recognition and Task Learning
地址：https://arxiv.org/abs/2305.09731
代码：https://github.com/ princeton-nlp/WhatICLLearns
录取：Findings of ACL 2023

众所周知，上下文学习第一次在GPT-3的论文Language Models are Few-Shot Learners中提出，这种超能力意味着大模型能够仅从上下文中的例子“学习”执行任务而不进行任何参数更新。那么，上下文学习究竟在上下文“学到”了什么？

这个问题尚无定论，一派研究假设预训练期间LLMs就已经隐含地学习了下游应用所需的任务，而上下文演示只是提供信息、使模型识别所需任务而已。另一派则表示，Transformer-based模型可以执行隐式梯度下降以更新“内部模型”，并且上下文学习与显式微调之间具有相似性！这个脑洞有点神奇了！作者提供了相关研究，大家可以去论文的参考文献看看。

根据这两派的观点，这篇文章把ICL分解为任务识别（TR）和任务学习（TL）两个方面，观察ICL背后到底发生了什么。

先来一波严谨的定义

我们先理解下TR和TL这两个概念的定义。以下描述有点啰嗦，也可以不看，用一句话概括就是：

TR通过演示（demonstrations）来识别任务并应用预训练的先验知识，TL学习预训练中没有的新知识；TR不受输入-标签映射的影响，但TL要求提供正确的映射！

ICL的数学定义

LLM将输入-标签对演示 和测试输入  作为条件来预测标签 , 由演示 (demonstrations) 引出一个映射.

任务识别（TR）

任务识别（task recognition）表示模型仅通过观察输入分布 和标签分布 , 而不是提供 对的情况下，识别映射的能力。在不依赖于配对信息的情况下，LLM会将其预训练的先验信息应用于识别到的，即使提供错误的输入-标签映射。

看起来很抽象，我们举个例子。即使没有以明确的方式通过正确标签的演示来学习任务，甚至给出类似于“这部电影很棒，情感是负面的”的错误演示，模型在电影评论的情感分类这个任务上依然能表现良好，因为这个任务在预训练中很常见、很容易识别。

任务学习（TL）

任务学习（TL）指从演示（demonstrations）中学习新的输入-标签映射的能力。与TR不同，TL允许模型学习新的映射，因此正确的输入标签对至关重要。

难点是如何分解TR和TL

接下来看看作者如何分解这两种机制，搞定它这篇论文就get啦！

假设这两种机制在不同条件下发生，很显然，只识别不学习（TR）比学习新映射（TL）更容易。TR可以在小规模上发生，但只有TL会随着模型规模和演示次数的增加而显著改进。

那么如何将TR和TL分开观察呢？

作者巧妙地使用了标签空间操作来分离TR和TL，包括三种不同的设置：

• GOLD：使用自然提示和黄金的输入-标签对的标准ICL设置。这种设置同时反映TR和TL。

• RANDOM：使用与GOLD相同的自然提示，从标签空间中均匀随机采样演示标签。这种设置只反映TR机制。

• ABSTRACT：使用最小提示（提供没有任务信息的提示）和没有明确语义含义的字符（例如数字、字母和随机符号）作为每个类的标签，不泄漏任何任务特定的信息。这种设置只反映TL机制。

作者在4种类型的16个分类数据集上进行实验，包括情感分析、毒性检测、自然语言推理/复述检测和主题/立场分类等分类任务；使用三个最先进的LLM系列，包括GPT 3，LLaMA和OPT.

结果如何呢

总体趋势上，GOLD在所有模型族和演示数量方面始终表现最好，这是因为GOLD设置为模型提供了所有信息；RANDOM曲线不会随着模型大小或演示数量而增加，保持基本平稳；在模型尺寸较小或演示数量较少时（K = 8），RANDOM和GOLD之间差距非常微小。也就是说，从上下文示例中识别任务（TR）并不会随着模型大小或示例数量的增加而急剧扩展。

相比之下，任务学习（TL）受规模的影响，并且随着更多演示而进一步改善。ABSTRACT曲线的斜率随着模型大小和演示数量的增加而越来越陡峭；对于小模型或小的演示数量，ABSTRACT表现大致相同，且大多数情况下表现不如RANDOM，但ABSTRACT在最大模型和演示数量时表现明显优于RANDOM、甚至能匹配GOLD的表现。

并且任务难度会影响任务学习的趋势，对于情感分析这类的简单任务，ABSTRACT随着规模和示例数量的增加呈更好的趋势；而自然语言推理（NLI）这类复杂任务的ABSTRACT曲线更平缓，表明模型更依赖于自然提示和预训练先验来解决这些任务。

总结

这篇论文独创地将ICL分成任务识别和任务学习这两种机制，并且证明两者发生的条件不同。小模型就有较好的任务识别的能力，但是大模型独具任务学习的新兴能力、并且可以利用更多演示来提高性能。

果然，学习能力还是要在大模型中涌现！

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