Self-Adapting Language Models
TL;DR 精炼摘要
本文提出了SEAL框架,使大型语言模型通过自主生成微调数据与更新指令实现自适应。利用强化学习训练,模型生成的自编辑内容能持久更新权重,提升知识整合与少样本泛化能力,突破了传统静态模型的局限,实现了自我指导的动态学习。
摘要
Large language models (LLMs) are powerful but static; they lack mechanisms to adapt their weights in response to new tasks, knowledge, or examples. We introduce Self-Adapting LLMs (SEAL), a framework that enables LLMs to self-adapt by generating their own finetuning data and update directives. Given a new input, the model produces a self-edit-a generation that may restructure the information in different ways, specify optimization hyperparameters, or invoke tools for data augmentation and gradient-based updates. Through supervised finetuning (SFT), these self-edits result in persistent weight updates, enabling lasting adaptation. To train the model to produce effective self-edits, we use a reinforcement learning loop with the downstream performance of the updated model as the reward signal. Unlike prior approaches that rely on separate adaptation modules or auxiliary networks, SEAL directly uses the model's own generation to control its adaptation process. Experiments on knowledge incorporation and few-shot generalization show that SEAL is a promising step toward language models capable of self-directed adaptation. Our website and code is available at https://jyopari.github.io/posts/seal.
思维导图
论文精读
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1. 论文基本信息 (Bibliographic Information)
- 标题 (Title): 自适应语言模型 (Self-Adapting Language Models)
- 作者 (Authors): Adam Zweiger, Jyothish Pari, Han Guo, Ekin Akyürek, Yoon Kim, Pulkit Agrawal。所有作者均来自麻省理工学院 (Massachusetts Institute of "Technology", MIT)。
- 发表期刊/会议 (Journal/Conference): 本文为预印本 (Preprint),发布于 arXiv。arXiv 是一个开放获取的学术论文存档库,通常用于在正式同行评审前快速分享研究成果。
- 发表年份 (Publication Year): 2025 (根据 arXiv 论文编号和内容推断,通常代表提交年份或目标发表年份)。
- 摘要 (Abstract): 大型语言模型 (LLMs) 功能强大但本质上是静态的,缺乏根据新任务、新知识或新示例来调整自身权重的机制。本文介绍了一种名为
SEAL(Self-Adapting LLMs) 的框架,该框架通过让 LLM 自己生成微调数据和更新指令来实现自适应。当给定一个新输入时,模型会生成一个“自编辑” (self-edit),这个生成的内容可以重构信息、指定优化超参数,或调用工具进行数据增强和基于梯度的更新。通过监督微调 (SFT),这些自编辑会带来持久的权重更新,实现长效的适应。为了训练模型产生有效的自编辑,作者使用了一个强化学习循环,将更新后模型在下游任务上的表现作为奖励信号。与依赖独立适应模块或辅助网络的先前方法不同,SEAL直接利用模型自身的生成能力来控制其适应过程。在知识整合和少样本泛化任务上的实验表明,SEAL是向能够自我指导适应的语言模型迈出的有希望的一步。 - 原文链接 (Source Link):
-
发布状态: 预印本 (Preprint),尚未经过正式的同行评审。
2. 整体概括 (Executive Summary)
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研究背景与动机 (Background & Motivation - Why):
- 核心问题: 当前的大型语言模型 (LLMs) 在预训练后其内部知识和能力是静态 (static) 的。当面临新知识、新任务或特定领域的数据时,它们无法像人类一样主动、高效地调整自身“记忆”(即模型权重)来吸收和内化这些新信息。
- 重要性与挑战: 现有方法,如上下文学习 (In-Context Learning, ICL) 是临时的,无法实现知识的持久内化;而标准的微调 (Finetuning) 则需要大量高质量的标注数据,并且数据格式是固定的,模型无法根据自身“理解”来决定如何最好地学习。这导致模型适应性差,且面临知识过时的问题。现有研究的空白 (Gap) 在于,缺乏一个让模型自主控制学习过程的机制,即模型本身无法决定“学什么”以及“怎么学”才能达到最佳效果。
- 创新思路: 论文的灵感来源于人类学习过程。一个学生为了准备考试,不会只是被动地阅读原始教材,而是会主动地重写、总结、归纳信息,形成自己的笔记。这种对知识的重构 (restructuring) 过程能极大地提升学习效率和效果。本文的创新思路就是赋予 LLM 类似的能力:让模型自己生成用于更新自身权重的“学习笔记”(即自编辑
self-edit),并通过强化学习来教会模型如何生成最有效的笔记。
-
核心贡献/主要发现 (Main Contribution/Findings - What):
- 主要贡献: 提出了一个名为
SEAL(Self-Adapting LLMs) 的通用框架。这个框架允许 LLM 通过以下步骤实现自我适应:- 生成自编辑 (
self-edit): 面对新信息,模型会生成一段文本,这段文本包含了用于更新自身权重的数据或指令。 - 执行自编辑: 模型利用生成的
self-edit对自身进行微调 (如LoRA微调),从而更新权重。 - 通过强化学习优化: 使用一个外部强化学习循环,将模型更新后在下游任务上的性能提升作为奖励 (reward),来优化模型生成
self-edit的能力。这相当于让模型“学会”如何为自己创造最有效的学习资料。
- 生成自编辑 (
- 关键发现:
-
SEAL框架是有效的。在知识整合 (Knowledge Incorporation) 任务中,经过SEAL训练的模型生成的合成数据,其效果甚至超过了比它大得多的GPT-4.1模型所生成的数据。 -
SEAL框架是通用的。在少样本泛化 (Few-Shot Generalization) 任务中,模型能学会自动选择和配置数据增强方法及优化超参数,显著提升了在抽象推理任务上的表现。 -
该方法将模型的生成能力和学习能力连接在了一起,为实现能够持续学习和自我完善的语言模型提供了一个全新的、有前景的范式。
-
- 主要贡献: 提出了一个名为
3. 预备知识与相关工作 (Prerequisite Knowledge & Related Work)
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基础概念 (Foundational Concepts):
- 大型语言模型 (Large Language Models, LLMs): 这是一类基于
Transformer架构、在海量文本数据上进行预训练的深度学习模型。它们能够理解和生成类似人类的语言,但其知识在预训练后被“冻结”在模型权重中。 - 监督微调 (Supervised Finetuning, SFT): 这是一种迁移学习技术,指将一个已经预训练好的模型(如 LLM)在一个规模较小、带有标签的特定任务数据集上继续训练,以使模型适应这个新任务。
- 低秩适应 (Low-Rank Adaptation, LoRA): 一种参数高效微调 (Parameter-Efficient Finetuning, PEFT) 技术。它通过在原有模型层旁边增加可训练的低秩矩阵,来模拟权重的更新,而无需改动庞大的原始模型参数。这使得微调过程计算成本低、速度快,非常适合
SEAL框架中频繁的内部更新。 - 强化学习 (Reinforcement Learning, RL): 一种机器学习范式。一个智能体 (agent) 在一个环境 (environment) 中通过执行动作 (action) 来获得奖励 (reward)。智能体的目标是学习一个策略 (policy),以最大化累积奖励。在
SEAL中,LLM 是智能体,生成self-edit是动作,更新后模型在下游任务上的性能是奖励。 - ReSTEM: 论文中使用的具体 RL 算法,可理解为一种基于拒绝采样的微调 (Rejection Sampling-based Finetuning)。其核心思想是:从当前模型策略中生成多个候选输出,然后只保留那些获得高奖励的“好”样本,用这些好样本对模型进行监督微v调。这是一种简单但有效的策略优化方法。
- 元学习 (Meta-Learning): 也称为“学会学习 (learning to learn)”。元学习的目标不是让模型学习解决某个特定任务,而是学习一种能够快速适应新任务的学习策略。
SEAL体现了元学习的思想,其外层 RL 循环正是在学习一种高效的适应策略——如何生成有效的self-edit。
- 大型语言模型 (Large Language Models, LLMs): 这是一类基于
-
前人工作 (Previous Works):
- 合成数据生成 (Synthetic Data Generation): 已有许多工作利用 LLM 生成训练数据来增强模型能力。例如,
Self-Instruct让模型生成指令数据。但这些方法通常依赖固定的提示或启发式规则。 - 知识更新 (Knowledge Updating): 一些方法试图直接定位和修改与特定事实相关的模型参数(如
ROME),但这种方法难以扩展。另一些方法(如演绎闭包训练Deductive Closure Training)通过生成原始知识的逻辑推论并进行微调来注入知识。SEAL属于后一类,但更进一步。 - 自改进 (Self-Improvement): 一些工作如
RLAIF(基于 AI 反馈的强化学习)利用模型自身来评估和提供奖励信号。但这些方法受限于模型当前的判断能力。SEAL则通过与外部数据和真实下游任务的交互来获得奖励,这提供了更可靠和可扩展的改进路径。
- 合成数据生成 (Synthetic Data Generation): 已有许多工作利用 LLM 生成训练数据来增强模型能力。例如,
-
技术演进 (Technological Evolution): 从被动接收数据进行微调,到利用模型生成辅助数据,再到
SEAL提出让模型自主决定如何生成最优数据并控制学习过程,这反映了模型在学习过程中的自主性 (autonomy) 不断增强的技术趋势。 -
差异化分析 (Differentiation): 与相关工作相比,
SEAL的核心创新在于:-
端到端的自我控制:
SEAL不依赖于任何外部的辅助网络或固定的适应模块。它直接利用模型自身的生成能力来参数化和控制整个适应过程,包括数据内容、格式乃至优化超参数。 -
基于结果的优化:
SEAL的 RL 循环是结果导向的。它不关心生成的self-edit本身是否“好”,只关心用了这个self-edit之后模型性能是否真的提升了。这种直接优化下游任务性能的方式,确保了生成的self-edit具有真正的实用价值。
-
4. 方法论 (Methodology - Core Technology & Implementation Details)
SEAL 框架的核心是一个嵌套循环结构:一个用于模型更新的内循环,以及一个用于优化自编辑策略的外循环。
该图像是论文中SEAL方法的示意图,展示了在每个强化学习外循环中,模型根据上下文生成多个自编辑(SE)指令,通过优化函数更新权重,随后在测试任务中评估表现,并利用奖励信号更新自编辑生成策略。
上图展示了 SEAL 的整体流程。给定一个上下文 Ctx,模型 LM 生成多个候选的自编辑 SE。每个 SE 都被用来更新一次模型权重。更新后的模型在测试任务上进行评估,获得一个奖励(对或错)。最后,利用这些奖励信号来更新模型生成 SE 的策略。
-
方法原理 (Methodology Principles):
SEAL的核心直觉是,模型本身最了解什么样的信息表达方式最容易被自己“吸收”。因此,与其强迫模型学习原始数据,不如让模型自己将原始数据“翻译”成最适合自己学习的格式。外层的强化学习循环则充当了一个“考官”,通过下游任务的“考试成绩”(奖励)来检验模型的“翻译”水平,并指导其不断改进。 -
方法步骤与流程 (Steps & Procedures):
SEAL的训练过程在论文的 算法1 (Algorithm 1) 中有清晰的描述:- 输入: 初始语言模型 和一个数据集 ,数据集中每个样本包含上下文 和评估任务 。
- 外循环开始: 进行多轮迭代。
- 采样: 从数据集 中随机抽取一个样本 。
- 生成自编辑: 将上下文 作为输入,让当前模型 生成一个自编辑 。即 。
- 内循环更新: 使用生成的 对模型进行监督微调(SFT),得到一个临时更新后的模型参数 。即 。
- 评估: 使用更新后的模型 来完成评估任务 ,得到答案
Ans。 - 计算奖励: 比较答案
Ans和任务 中的真实标签,计算出奖励 。 - 策略更新: 使用 RL 算法(如 ),根据生成的 和奖励 ,更新原始模型参数 ,使其在未来能生成更高奖励的 。更新后的参数为 。
- 循环: 重复步骤 3-8,直到模型收敛。
-
数学公式与关键细节 (Mathematical Formulas & Key Details):
-
强化学习目标函数:
SEAL的目标是最大化期望奖励,等价于最小化以下损失函数: 符号解释:- : 在第 次迭代时的模型参数。
- : 从数据集 中采样的一个上下文-任务对。
- : 从当前模型 生成的自编辑。
- : 奖励函数,它依赖于自编辑 、评估任务 和当前模型参数 (因为评估是在 更新后的模型上进行的)。
- : 数学期望。
-
梯度计算的挑战与简化: 直接对上述目标函数求梯度是困难的,因为奖励 依赖于不可微分的微调和评估过程。论文采用了一种简化方法:在计算梯度时,将奖励 视为一个固定的常数(即应用了
stop-gradient)。这样,梯度的蒙特卡洛估计就变成了: 符号解释:-
: 一个批次 (minibatch) 中的上下文数量。
-
: 每个上下文生成的
SE样本数量。 -
: 对应第 个上下文的第 个
SE样本所获得的奖励。 -
: 模型生成该
SE的对数概率。这个公式的直观含义是:我们只增加那些获得高奖励 () 的
SE的生成概率。这正是 算法的核心思想,即对高回报的样本进行监督学习。
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-
-
领域实例化 (Domain Instantiations):
SEAL框架在两个具体任务上得到了应用,展示了其通用性。-
知识整合 (Knowledge Incorporation):
该图像是示意图,展示了论文中知识整合的流程。模型接收新的文本段落,生成以“蕴含”为形式的自编辑数据,然后使用LoRA进行微调。微调后的模型通过回答相关问题进行评估,准确率作为强化学习的奖励信号。- 目标: 将一段新文本(如维基百科段落)中的事实知识内化到模型权重中。
- 上下文 : 一段包含新知识的文本。
- 自编辑
SE: 模型生成的、从原文派生出的一系列“蕴含”或“推论” (implications),如上图中间部分所示。 - 评估 : 在不提供原文的情况下,回答与该段落内容相关的问题。
- 奖励 : 问答的准确率 (Accuracy)。
-
少样本学习 (Few-Shot Learning):
该图像是论文中图3的示意图,展示了SEAL在少样本学习中的流程。图中左侧为少样本示例,中间是模型生成的自编辑(Self-Edit),包含数据增强参数和训练超参,右侧为经过监督微调(SFT)后模型的评估过程。-
目标: 在仅有几个示例的情况下,快速泛化到一个新的抽象推理任务。
-
上下文 : 某个
ARC任务的几个输入-输出示例。 -
自编辑
SE: 一段结构化的文本,指定了要使用哪些数据增强方法(如旋转、翻转)以及优化超参数(如学习率、训练轮数),如上图中间部分所示。 -
评估 : 预测一个未见过的测试输入的正确输出。
-
奖励 : 二元奖励,预测正确则为 1,错误为 0。
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-
5. 实验设置 (Experimental Setup)
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数据集 (Datasets):
- 知识整合: 使用了
SQuAD(Stanford Question Answering Dataset)。这是一个著名的大规模阅读理解数据集,其内容来源于维基百科文章。作者选择这个数据集是因为其段落内容对于基础模型来说在上下文中是可理解的,但如果没有上下文,模型就无法回答相关问题,这使其成为测试知识内化效果的理想选择。 - 少样本学习: 使用了
ARC-AGI(Abstraction and Reasoning Corpus) 基准测试的一个简化子集。ARC旨在测试智能系统的抽象推理和快速学习能力,每个任务都由极少数的视觉谜题示例组成。作者筛选了一部分任务,确保基础模型在最优配置下是可解的,从而专注于验证SEAL学习优化配置的能力。
- 知识整合: 使用了
-
评估指标 (Evaluation Metrics):
-
成功率 (Success Rate %):
- 概念定义: 在
ARC任务中,该指标衡量模型生成的self-edit的有效性。它计算的是,在所有生成的self-edit中,有多少比例的self-edit经过内循环更新后,能够使模型在测试样本上给出正确答案。这个指标直接反映了SEAL学到的自适应策略的质量。 - 数学公式:
- 符号解释: 公示非常直观,分母是总尝试次数,分子是成功次数。
- 概念定义: 在
-
准确率 (Accuracy %):
- 概念定义: 在
SQuAD知识整合任务中,该指标衡量模型在无上下文条件下正确回答问题的能力。它计算的是模型正确回答的问题数占总问题数的百分比。这是衡量知识是否被成功内化的直接标准。 - 数学公式:
- 符号解释: 分子是模型回答正确的题目数量,分母是评估集中的总题目数量。
- 概念定义: 在
-
-
对比基线 (Baselines):
ARC少样本学习任务:ICL(In-Context Learning): 不进行任何权重更新,直接将少样本示例放在上下文中,让模型预测测试样本。TTT + Self-Edit (w/o prior RL): 使用模型生成的self-edit进行测试时训练 (TTT),但模型本身没有经过 RL 训练来优化self-edit的生成。Oracle TTT: 使用由人类专家为ARC任务精心设计的最佳TTT配置。这代表了该方法性能的理论上限。
SQuAD知识整合任务:-
Base Model: 未经任何适应性训练的原始预训练模型。 -
Train on Passage Only: 直接在原始段落文本上进行微调。 -
Train on Passage + Synthetic Data: 在原始段落和由基础模型(未经 RL 训练)生成的合成数据上进行微调。 -
Train on Passage + GPT-4.1 Synthetic Data: 在原始段落和由GPT-4.1(一个更强大的闭源模型)生成的合成数据上进行微调。
-
6. 实验结果与分析
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核心结果分析 (Core Results Analysis):
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少样本抽象推理 (表1转录): 以下是 Table 1 的转录结果,展示了在
ARC任务上的表现。Method Success Rate (%) ICL 0 TTT + Self-Edit (w/o prior RL) 20 SEAL 72.5 Oracle TTT 100 分析:
ICL完全失败(0%),说明仅靠上下文学习无法解决这些复杂的抽象推理任务。- 未经 RL 训练的模型生成的
self-edit效果很差(20%),表明模型本身并不知道如何有效地配置数据增强和超参数。 SEAL取得了 72.5% 的成功率,远超基线,这强有力地证明了 RL 循环是至关重要的。它教会了模型如何生成有效的自适应指令。- 虽然仍低于
Oracle的 100%,但这表明SEAL成功地自动化了原本需要人工设计的复杂配置过程,并取得了很好的效果。
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知识整合 (表2转录): 以下是 Table 2 的转录结果,展示了在
SQuAD任务上不同设置下的准确率。Method Single Passage (n=1; LoRA) Continued Pretraining (n=200; full-FT) Continued Pretraining (n=2067; full-FT) Base model 32.7 32.7 29.0 Train on Passage 33.5 36.0 31.2 Train on Passage + Synthetic 39.7 50.6 43.4 Train on Passage + GPT-4.1 Synthetic 46.3 59.4 49.2 SEAL 47.0 58.2 46.4 分析:
- 单段落更新:
SEAL达到了 47.0% 的准确率,不仅显著优于仅在原文上微调(33.5%),也超过了使用强大得多的GPT-4.1生成的合成数据(46.3%)。这表明SEAL学会了生成比GPT-4.1更适合其自身模型吸收的“笔记”。 - 持续预训练: 在中等规模(n=200)的持续预训练中,
SEAL表现依然强劲(58.2%),与GPT-4.1(59.4%)相当。这证明了SEAL学到的自编辑策略具有良好的泛化性,可以扩展到多文档场景。
- 单段落更新:
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RL 训练过程分析 (图4):
该图像是一个折线图,展示了在ReST-EM强化学习训练迭代次数增加时,SEAL模型在单段知识整合任务上的准确率提升趋势,并与Qwen、GPT-4.1等基线模型进行对比。该图清晰地展示了
SEAL的性能随着 RL 迭代次数的增加而稳步提升。仅经过两次迭代,SEAL的性能就超过了使用GPT-4.1合成数据的基线,表明其学习效率非常高。
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消融实验/参数分析 (Ablation Studies / Parameter Analysis):
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定性分析 (图5):
该图像是一个文字列表类示意图,列举了利用遥感技术和GPS设备保护亚马逊雨林及其原住民土地的九条关键措施,强调了森林砍伐、基础设施扩展和非法采矿的威胁,以及原住民在保护雨林中的作用。上图展示了 RL 训练过程中
self-edit的演变。在迭代 0 时,生成的蕴含较为简单。随着 RL 训练的进行(迭代 1 和 2),模型生成的self-edit变得更加详细、全面,将原文中的关键信息分解为更易于学习的原子事实。例如,在迭代2中,模型生成了多达10条细致的推论,涵盖了技术应用、威胁、原住民角色等多个方面。这直观地解释了为什么性能会提升:模型学会了如何进行更有效的知识分解和重述。
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7. 总结与思考 (Conclusion & Personal Thoughts)
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结论总结 (Conclusion Summary): 本文成功地提出了
SEAL,一个创新且通用的框架,使 LLM 能够通过生成自己的微调数据和指令来进行自我适应。核心机制是一个 RL 循环,它通过优化模型更新后的下游任务性能,来教会模型如何生成最有效的self-edit。实验证明,SEAL在知识整合和少样本泛化任务上均取得了显著成功,为开发能够持续学习、自我完善的语言模型开辟了新的道路。 -
局限性与未来工作 (Limitations & Future Work): 作者坦诚地指出了当前工作的局限性,并展望了未来方向:
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灾难性遗忘 (Catastrophic Forgetting): 实验表明,在连续进行多次自编辑更新后,模型对早期知识的记忆会逐渐衰退。
该图像是图表,展示了连续自我编辑过程中模型发生灾难性遗忘的情况。横轴为文章索引,纵轴为自我编辑迭代次数,颜色和数值表示性能退化程度。上图的热力图显示,随着 self-edit 迭代次数的增加(纵轴),对早期学习过的段落(横轴)的性能(颜色越浅表示性能越差)在下降。未来的工作可以通过引入惩罚遗忘的奖励机制或结合持续学习策略来缓解此问题。
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计算开销 (Computational Overhead):
SEAL的 RL 循环非常昂贵,因为每一次奖励的计算都需要进行一次完整的模型微调和评估。这在当前限制了其大规模应用。 -
依赖有标签的评估任务 (Context-dependent evaluation): 当前框架要求每个上下文 都有一个配对的评估任务 来计算奖励,这在无标签数据上无法直接使用。作者提议,未来可以让模型自己生成评估问题,从而实现完全无监督的自适应学习。
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个人启发与批判 (Personal Insights & Critique):
- 启发:
- 范式转变:
SEAL最具启发性的一点是它将模型从一个被动的“学习者”转变为一个主动的“学习策略制定者”。这种“授人以渔”而非“授人以鱼”的思路,可能是实现通用人工智能(AGI)的关键一步。 - 解决数据瓶颈: 随着高质量人类数据的枯竭,让模型学会从现有数据中“提炼”和“创造”高价值的新数据(即合成数据)将变得至关重要。
SEAL为如何“智能地”生成合成数据提供了一个强大的框架。 - 与智能体系统的结合:
SEAL的机制非常适合需要持续与环境交互并不断学习的智能体 (agent)。智能体可以在完成一次交互后,生成self-edit来内化经验,从而实现真正的成长和演化。
- 范式转变:
- 批判性思考:
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奖励的稀疏性与延迟: 在许多现实场景中,获得明确的、即时的奖励信号是非常困难的。
SEAL的有效性高度依赖于奖励函数的设计。在奖励稀疏或有延迟的任务中,该框架可能面临挑战。 -
自适应的稳定性: 虽然
SEAL旨在提升适应性,但频繁的权重更新也可能导致模型性能的波动或退化(如灾难性遗忘所示)。如何确保自适应过程的稳定性和可靠性,是未来需要深入研究的问题。 -
“自编辑”的可解释性: 当前的
self-edit是自然语言文本,这提供了一定的可解释性。但模型为何会生成某种特定的self-edit,其背后的“思考过程”仍是一个黑盒。深入理解这一点,可能有助于进一步优化框架。总而言之,
SEAL是一项开创性的工作,它不仅提出了一个有效的技术方案,更重要的是,它为我们思考“模型如何学习”这一根本问题提供了全新的视角。
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- 启发:
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