揭秘In-Context Learning(ICL)：大型語言模型如何透過上下文學習實現少樣本高效推理[示例設計、ICL機制詳解]
自GPT-3首次提出了In-Context Learning(ICL)的概念而來，ICL目前已經變成了一種經典的LLMs使用方法。ICL，即In-Context Learning，是一種讓大型語言模型（LLMs）透過少量標註樣本在特定任務上進行學習的方法。這種方法的核心思想是，透過設計任務相關的指令形成提示模板，利用少量標註樣本作為提示，引導模型在新的測試資料上生成預測結果。
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ICL主要思路是：給出少量的標註樣本，設計任務相關的指令形成提示模板，用於指導待測試樣本生成相應的結果。
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ICL的過程：並不涉及到梯度的更新，因為整個過程不屬於fine-tuning範疇。而是將一些帶有標籤的樣本拼接起來，作為prompt的一部分，引導模型在新的測試資料輸入上生成預測結果。
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ICL方法：表現大幅度超越了Zero-Shot-Learning，為少樣本學習提供了新的研究思路。
1.ICL定義
1.1 形式化定義
給出少量任務相關的模型輸入輸出示例(demonstration)，如$k$個示例$D_k={f(x_1,y_1),...,f(x_k,y_k)}$，其中$f(x_k,y_k)$是一個預定義的關於Prompt的函式（文字格式），用於將$k$個任務相關的示例，轉換成自然語言Prompt。
給出任務定義$I$，示例$D_k$，以及一個新的輸入$x_{k+1}$，我們的目的是透過LLM生成輸出$\hat{y}_k+1$。公式化為：
1.2 例項理解
以一個分類任務進行舉例，從訓練集中抽取了$k=3$個包含輸入輸出的例項，使用換行符"\n"來區分輸入和輸出。
在預測時，可以更換測試樣本輸入（綠色部分），並在末尾留出空間讓LLM生成。
2.示例設計(Demonstration Design)
2.1 示例選擇
ICL的效能，在不同的示例中，會有很大差異。即同一個測試樣本，在選擇不同的示例下，得到的結果可能會不一樣。為了使得LLM生成更高準確率的結果，我們需要選取合適的示例。目前有兩類方法：
(1) 啟發式方法
《What Makes Good In-Context Examples for GPT-3?
我們很容易能有這樣一個想法：如果demonstration與測試樣本輸入在語義上相近的話，是否效果會更好？本論文給出了肯定的答案。
作者使用RoBERTa-large模型作作為編碼器，選取了其CLS embedding的輸出向量作為訓練樣本的文字表徵。使用K-近鄰演算法以及歐式距離方法，選取與當前test sentence語義最近的10個訓練個樣本，作為demonstration。
實驗效果表明，該方法比隨機抽取訓練樣本作為demonstration效果更好。
《Diverse demonstrations improve in-context compositional generalization》
用來挑選demostration的訓練資料和測試資料有時候可能會存在較大的分佈差異，這個時候很難透過KNN等基於相似方法來挑選合適的demostration。本論文從多樣性的角度去挑選demostration，目的在於儘可能地覆蓋所有可能的輸出，提高模型在新場景的泛化能力。
具體做法是，在原有相似度的基礎上，考慮不同demostration之間的差異性。當兩個demostration高度語義相似時，剔除其中一個。
(2) LLM-based方法
除了啟發式方法以外，還有研究者使用LLMs來直接生成demostrations。
《Learning To Retrieve Prompts for In-Context Learning》
作者認為demostrations的好壞，不應該由人來決定，而應該由模型來判定。
對於一條測試資料$(x,y)$，作者將訓練集中每一個樣本資料都當作示例$e$，將$(e,x)$輸入模型，透過模型生成$y$的機率$Prob_{\hat g}(y|e,x)$，來評估當前示例的好壞。
為了緩解由於訓練集過大而導致計算開銷成本高的問題。作者使用了$BM25$、$SBERT$等方法，預先對所有訓練集進行召回，篩選出候選示例集。再對其每一條示例進行評估，選取最高分的k條示例作為正例集，最低分k條作為負例集，使用對比學習的方法，訓練retrever。同時生成一個針對輸入編碼的Utterance encoder和針對示例編碼的prompt encoder。
基於訓練好的retrever，結合Faiss相似度計算框架，找出輸入input對應最佳的demostrations。
《Active Example Selection for In-Context Learning》
我們知道，主動學習的思路是從樣本庫中選擇適合的樣本，提供給標註者標註。
而示例選擇問題與主動學習的思路有點類似，示例選擇目標是選擇適合的示例，提供給prompt，以使測試樣本得到較高的準確率。
由於demostrations的可選空間，與樣本庫（一般是訓練集）呈指數關係，要列舉所有的demostrations組合，並不現實。因此，作者將示例選擇看作是一個序列決策問題，這樣就可以基於馬爾可夫決策過程（MDP），使用強化學習（RL）的方法去解決。
我們知道一個經典的MDP模型，有3個基本定義(狀態state、動作action、獎勵reward)。文章將state定義為當前時刻的demostration，即$(x_i,y_i)$，action定義為樣本庫中所有的樣本和一個停止訊號標識（┴），reward定義為LLMs利用state與當前action構成的demostrations，在驗證集中的準確率。即，prompt是由state+action構造成的demostrations，加上驗證集中的樣本輸入一起組成。透過對比驗證集標籤與LLMs輸出，可計算準確率。
定義好MDP的各個關鍵部分後，作者基於off-policy的方式，使用CQL(Q-learning的一個變種，用於緩解Q-Learning對於Q值估計過高的問題)，構造一個三層MLP層的Q網路，用於學習最優策略。
《Self-generated in-context learning: Leveraging auto-regressive language models as a demonstration generator》
前面提及的方法，都是從樣本庫中挑選出合適的demonstration，而本論文方法是利用LLMs自身的能力，生成合適的demonstration。目的是最小化對外部樣本庫的依賴。
整個過程分為兩個階段：
- 1.藉助預先設計的prompt，讓LLMs生成k個合適的示例
- 2.在原來輸入的基礎上，加入第一階段生成的示例，讓LLMs預測最終結果
實驗結顯示，當使用Self-generated的方式生成8個demonstration作為in-context sample，於從樣本庫中抽取5個demonstration作為in-context sample的效果相當。
2.2 示例格式
在完成demonstrations的選擇後，下一步就是將demonstrations整合成一個自然語言Prompt。
《Cross-task generalization via natural language crowdsourcing instructions》
這篇論文提出了一個新的跨任務instruction資料集。他們使用總包的方式，按照規定的instruction格式，對多個開源資料集進行改造。
針對每一個promt，其格式包含：
- title: 包含一個high-level的任務描述，以及其相關技能，如question generation，answer generation等
- prompt: 單獨的文字命令，一般出現在輸入示例之前。
- definition: 指令的補充內容，更加詳細地描述指令的具體執行細節。
- things to avoid: 包含模型應該避免的內容，或規則。
- emphasis and caution: 強調在眾包過程中，警告或反對的內容
- positive examples: 提供一個類似系統期望的輸入、輸出例子，使得眾包人員更好地理解任務。
- negative examples:提供一個類似系統期望的輸入、輸出的負例，讓眾包人員儘量避免。
- reason: 解釋為什麼例子是positive或negative。
- suggestion: 包含一些建議，主要用於指導如何將負例改成正例。
模型在經過上述instruction資料集微調後，能在unseen樣本上，達到較好的生成效果。在新樣本推斷時，將demonstrations加入到task instances即可。
《SELF-INSTRUCT: Aligning Language Models with Self-Generated Instructions》
本論文提出了一種半自動化self-instruction過程，使用少量人工標註的資料，生成大量能用於instruction的資料。並開源了一個基於GPT3的52K self-instruct資料集。
一般來說，instruction資料集，會包含兩/三個部分：(指令、輸入、輸出)或（指令、輸出）。如
本論文提出的方法包含幾個步驟：
1.人工設計175個不同任務的啟動任務池，且給每個任務編寫一個instruction和一個例項。
2.使用LLMs生成新的指令。生成指令的prompt由6個人工編寫的instruction和從模型生成結果中抽取2個instruction，按照指定模板公式組合後，輸入模型，並輸出一個新的指令
3.判斷指令是否屬於分類任務。由於分類任務和非分類任務用的prompt模板不同，故需要進行分開識別。分別從任務池中抽取分類instruction和非分類instruction，再加上新生成的指令，輸入模型，模型輸出是否為分類任務
4.生成例項。分為兩種策略：
- (1)先生成輸入，在生成輸出。適用於非分類任務。
- (2)先生成輸出，再生成輸入。適用於分類任務，緩解生成結果單一化問題。
5.結果過濾。對於新生成的instruction，比較其與任務池中的instruction的ROUGE-L值，當小於0.7時才會加入任務池。（ROUGE-L越大，說明instruction越相似）
《Automatic chain of thought prompting in large language models》
LLMs透過生成中間推理步驟的方式可以做複雜任務推理。在prompt示例(demonstration)中引入這些推理步驟的方法稱為chain-of-thought(CoT) prompting，即：思維鏈prompting。
傳統的CoT分為兩種正規化：
1.Zero-Shot-CoT: 在LLMs中新增一個簡單的prompt即可，如"Let's think step by step"。以促進在回答問題之前一步步地思考。
2.Manual-CoT: 加入多個由人工設計的prompt，包含問題、推理鏈和答案。
由於Zero-Shot-CoT方法存在不穩定性，而Manual-Cot方法需要大量人工成本投入。作者提出了一種基於Auto-CoT的方法，自動構建包含問題和推理鏈的說明樣例(demonstrations)。
整個過程分了兩個階段：
1.question cluster: 目的是將資料集中的question劃分到不同簇中。
- 使用Sentence-Bert計算每個question的向量表示；
- 使用k-means方法將question記性簇劃分；
- 最後對每個簇中的question，根據距離中心點距離，升序排序。
2.demostration sampling: 目的是從每個簇中選取一個代表性的question，基於LLMs，使用Zero-Shot-CoT生成推理鏈。
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對於每一個簇$i$裡的每一個問題$q{(i)}_j$，使用Zero-Shot-CoT的方法，將$[Q:q_j,A:[P]]$（其中$[P]$表示"Let's think step by step"）輸入到LLMs，LLMs生成該問題的推理鏈$r{(i)}_j$和答案$a_j$；
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若問題$q{(i)}_j$不超過60個tokens，且推理鏈$r_j$不超過5個推理步驟，則將問題+推理鏈+答案，加入到demostrations列表中:$[Q:q{(i)}_j,A:r_j。a^{(i)}_j]$；
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遍歷完所有簇，將得到k個demostrations，將其拼接上測試question，構造成新的Prompt，輸入LLMs便可得到生成結果。
值得一提的是，Auto-CoT在多個開源推理任務的資料集上，效果與Manual-CoT相當，甚至某些任務表現得更好。
《Least-to-Most Prompting Enables Complex Reasoning in Large Language Models》
雖然CoT在很多自然語言推理任務上效果顯著，但是當問題比prompt裡的demostrations更難時，LLMs的表現往往會很糟糕。於是作者提出了Least-to-Most Prompting的策略思想，將問題分解成一個個小問題，結合使用COT，那麼模型就能把問題解出來了。
整個過程分為兩個階段：
1.將原問題分解為一系列子問題。
- 要求LLMs根據輸入和提示"To solve xx, we need to solve xx"，生成子問題。
2.依次解決子問題，最後解決原始問題。
- 將原始context，加上階段1中生成的子問題進行組合，透過LLMs依次生成每個子問題的思維鏈和答案。
- 當生成完所有子問題的答案後，再拼接上原始問題，透過LLMs輸出生成結果。
2.3 示例排序
我們知道，demostrations一般是由多個示例組成，而不同的示例排序會不會對模型在新樣本中的表現產生影響？
論文《Calibrate before use: Improving few-shot performance of language models》給出了肯定的答案。作者指出，在一個正常的prompt+demostrations+新樣本的輸入中，LLMs會更加傾向於將新樣本對應的標籤，預測為demostrations最後一個示例對應的標籤，成為Recency Bias。因此demostrations的排序，對LLMs的表現也是有相當大的影響。
2.3.1 啟發式方法
《What Makes Good In-Context Examples for GPT-3?》
我們在選擇那一節有介紹過該論文，思路是使用k-nearest neighbors+歐式距離的方法，根據與測試樣本的相似度，對demostrations進行排序，與測試樣本越相似，排序越後。
2.3.2 基於熵的方法
《Fantastically ordered prompts and where to find them: Overcoming few-shot prompt order sensitivity》
作者提出了一種基於Global Entropy和Loacl Entropy的方法對demostrations進行排序，取得了比隨機排序更優的效果。
該過程分為兩個步驟：
1.生成用來驗證的無標註資料集。
- 將demostrations按照不同的順序排列，輸入LLMs，讓其生成不同帶標籤的偽資料。
2.確定評價指標來評估demostrations的展示順序優劣。
- 作者觀察到大多數使模型失效的demostrations順序，會讓模型的標籤分佈相對極端，從而導致標籤分佈的熵值較低。
- 設計了兩種基於熵的指標（Global Entropy和Loacl Entropy），來評估當前demostrations排序的結果質量。
3.ICL機制
3.1 預訓練機制如何影響ICL？
知識積累：預訓練階段，模型會接觸到大量的無標註或弱標註資料，從而學習到豐富的語言知識、常識和上下文資訊。這些積累的知識和資訊為ICL提供了堅實的基礎，使得模型能夠利用上下文資訊做出更準確的預測。泛化能力：預訓練過程使模型具備了較強的泛化能力，即模型能夠將在預訓練階段學到的知識和技能應用到新的、未見過的任務和資料上。這種泛化能力是ICL得以實現的關鍵，因為ICL正是利用了模型在預訓練階段學到的知識來進行少量樣本學習。引數初始化：預訓練為模型的引數提供了良好的初始化值。在ICL過程中，模型不需要對引數進行大量的更新，而只需要根據少量標註樣本進行微調，即可快速適應新的任務。這種快速的適應能力是ICL的一個重要優勢。
3.2 LLMs怎樣表現出ICL能力？
利用上下文資訊：LLMs能夠充分利用輸入序列中的上下文資訊來做出決策。例如，在文字分類任務中，模型可以透過分析整個句子的語境來判斷句子的情感傾向。設計提示模板：對於特定的任務，LLMs可以透過設計任務相關的指令形成提示模板。這些提示模板可以包含少量標註樣本，用於指導模型生成預測結果。少樣本學習：LLMs在只有少量標註資料可用時仍能表現出良好的效能。透過利用預訓練階段學到的知識和泛化能力，模型可以在少量樣本上快速學習並適應新的任務。效能提升：實驗表明，ICL方法的表現大幅度超越了Zero-Shot-Learning，為少樣本學習提供了新的研究思路。在多個自然語言處理任務上，採用ICL方法的LLMs相比傳統的微調方法取得了更好的效能。
4.總結
對於In-Context Learning而言，demonstrations的選擇、格式、以及排序，都會對測試樣本的效果產生影響。在實際應用時，我們可以借鑑前人的經驗，根據自己的場景選擇適合的ICL方法。
5.Reference
What Makes Good In-Context Examples for GPT-3?
Diverse demonstrations improve in-context compositional generalization
Learning To Retrieve Prompts for In-Context Learning
Active Example Selection for In-Context Learning
Self-generated in-context learning: Leveraging auto-regressive language models as a demonstration generator
Cross-task generalization via natural language crowdsourcing instructions
SELF-INSTRUCT: Aligning Language Models with Self-Generated Instructions
Automatic chain of thought prompting in large language models
Least-to-Most Prompting Enables Complex Reasoning in Large Language Models
Calibrate before use: Improving few-shot performance of language models
Fantastically ordered prompts and where to find them: Overcoming few-shot prompt order sensitivity