清北微軟深挖GPT，把上下文學習整明白了！和微調基本一致，只是參數沒變而已

大型預訓練語言模型其中一個重要的特點是上下文學習（In-Context Learning，ICL）能力，即透過一些示範性的輸入-標籤對，就可以在不更新參數的情況下對新輸入的標籤進行預測。

性能雖然上去了，但大模型的ICL能力到底從何而來仍然是一個開放的問題。

為了更好地理解ICL的工作原理，清華大學、北京大學和微軟的研究人員共同發表了一篇論文，將語言模型解釋為元優化器（meta- optimizer），並將ICL理解為一種隱性的（implicit）微調。

論文連結：https://arxiv.org/abs/2212.10559

#從理論上講，這篇文章弄清楚了Transformer注意力中存在一個基於梯度下降優化的對偶形式（dual form），並在此基礎上，對ICL的理解如下。 GPT首先根據示範實例產生元梯度，然後將這些元梯度應用於原始的GPT，並建立ICL模型。

在實驗中，研究人員綜合比較了ICL和基於真實任務的明確微調的行為，以提供支持該理解的經驗證據。

結果證明，ICL在預測層面、表徵層面和注意力行為層面的表現與明確微調類似。

此外，受到元優化理解的啟發，透過與基於動量的梯度下降演算法的類比，文中還設計了一個基於動量的注意力，比普通的注意力有更好的表現，從另一個方面再次支持了該理解的正確性，也展現了利用該理解對模型做進一步設計的潛力。

ICL的原理

研究人員首先對Transformer中的線性注意力機制進行了定性分析，以找出它與基於梯度下降的最佳化之間的對偶形式。然後將ICL與顯式微調進行比較，並在這兩種最佳化形式之間建立連結。

Transformer注意力就是元優化

#設X是整個query的輸入表徵，X'是範例的表徵，q是查詢向量，則在ICL設定下，模型中一個head的注意力結果如下:

可以看到，移除縮放因子根號d和softmax後，標準的注意力機制可以近似為：

#將Wzsl設為Zero-Shot Learning(ZSL)的初始參數後，Transformer注意力可以轉換為下面的對偶形式：

#可以看到，ICL可以解釋為一個元最佳化（meta -optimization）的過程：

1. 將基於Transformer的預訓練語言模型作為一個元優化器；

2. 透過正向計算，根據示範樣例計算元梯度；

3. 透過注意力機制，將元梯度應用於原始語言模型上，建立一個ICL模型。

ICL和微調對比

為了比較ICL的元優化和顯式優化，研究人員設計了一個具體的微調設定作為比較的基線：考慮到ICL只直接作用在註意力的key和value，所以微調也只更新key和value投影的參數。

同樣在非嚴謹形式下的線性注意力中，微調後的head注意力結果可以被表述為：

為了與ICL進行更公平的比較，實驗中進一步將微調設定限制如下：

#1. 將訓練範例指定為ICL的示範範例；

2. 只對每個例子進行一步訓練，其順序與ICL的示範順序相同；

3. 用ICL所用的模板對每個訓練樣例進行格式化，並使用因果語言建模目標進行微調。

比較後可以發現，ICL與微調有許多共同的屬性，主要包括四個面向。

都是梯度下降

#可以發現ICL和微調都對Wzsl進行了更新，即梯度下降，唯一的區別是，ICL透過正向計算產生元梯度，而finetuning則透過反向傳播獲得真正的梯度。

相同的訓練資訊

ICL的元梯度是根據示範範例獲得的，微調的梯度也是從相同的訓練樣本中得到的，也就是說，ICL和微調共享相同的訓練資訊來源。

訓練範例的因果順序相同

#ICL和微調共享訓練範例的因果順序，ICL用的是decoder-only Transformers，因此示例中的後續token不會影響到前面的token；而對於微調，由於訓練示例的順序相同，並且只訓練一個epoch，所以也可以保證後面的樣本對前面的樣本沒有影響。

都作用於注意力

#與zero-shot學習相比，ICL和微調的直接影響都僅限於注意力中key和value的計算。對於ICL來說，模型參數是不變的，它將範例資訊編碼為額外的key和value以改變注意力行為；對於微調中引入的限制，訓練資訊也只能作用到注意力key和value的投影矩陣中。

基於ICL和微調之間的這些共同特性，研究人員認為將ICL理解為一種隱性微調是合理的。

實驗部分

任務與資料集

研究人員選擇了橫跨三個分類任務的六個資料集來對比ICL和微調，包括SST2、SST-5、MR和Subj四個用於情感分類的資料集；AGNews是一個主題分類資料集；CB用於自然語言推理。

實驗設定

模型部分使用了兩個類似GPT的預訓練語言模型，由fairseq發布，其參數量分別為1.3B和2.7B.

對於每個任務，使用相同的模板來對ZSL、ICL和微調的樣本進行格式化。

結果

#準確度

與ZSL相比，ICL和微調都取得了相當大的改進，這意味著它們的最佳化，對這些下游任務都有幫助。此外，ICL在少數情況下比微調更好。

Rec2FTP（Recall to Finetuning Predictions）

#GPT模型在六個資料集上的得分結果顯示，平均而言，ICL可以正確預測87.64%的例子，而微調可以修正ZSL。在預測層面，ICL可以涵蓋大部分正確的行為進行微調。

SimAOU(Similarity of Attention Output Updates)

從結果可以發現，ICL更新與微調更新的相似度遠高於隨機更新，也意味著在表示層面上，ICL傾向於以與微調變化相同的方向改變注意力結果。

SimAM(Similarity of Attention Map)

######作為SimAM的基準指標，ZSL SimAM計算了ICL注意力權重和ZSL注意力權重之間的相似度。透過比較這兩個指標，可以觀察到，與ZSL相比，ICL更傾向於產生與微調相似的注意力權重。 ############同樣，在註意力行為層面，實驗結果證明了ICL的行為與微調相似。 ################

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