Deep de Finetti: Recovering Topic Distributions from Large Language Models

Authors: Liyi Zhang ; R. Thomas McCoy ; Theodore R. Sumers ; Jian-Qiao Zhu ; Thomas L. Griffiths
Q: 这篇论文试图解决什么问题？

A: 这篇论文探讨大型语言模型（LLMs）如何捕捉文档的主题结构。尽管LLMs是在下一个词预测任务上进行训练的，但它们能够生成连贯的文本段落，这表明它们必须以某种方式捕捉文档的潜在结构。先前的文献已经发现LLMs的隐藏状态编码了许多潜在变量，例如语法，但本论文研究了一个互补的方面，即文档的主题结构。作者通过将LLM优化与隐式贝叶斯推断联系起来，利用de Finetti定理来解释LLMs如何捕捉主题结构。de Finetti定理表明，可交换概率分布可以表示为关于潜在生成分布的混合。虽然文本在语法层面上不可交换，但主题结构可能可以合理地近似为可交换的。因此，作者假设预测文本中的下一个标记将导致LLMs恢复潜在的主题分布。他们使用潜在狄利克雷分配（LDA）作为目标，并展示了LLMs的表示形式编码了用于生成合成数据的主题以及用于解释自然语料库数据的主题。

Q: 有哪些相关研究？

A: 这篇论文提到了几项相关的研究，探讨了大型语言模型（LLMs）的内部表示所编码的信息。这些研究主要集中在测试语言模型是否编码了诸如词性标注、句法数量、句子结构、实体属性、情感、世界状态和代理属性等语义信息。特别是，一些研究已经解码了我们研究的主题结构，例如Li等人（2023年）、Sia等人（2020年）和Meng等人（2022年）。然而，这些研究要么关注于在上下文中学习新任务，要么比较属于相同主题和不同主题的词对的成对嵌入。而本研究则通过探测主题混合向量来直接联系语言建模和贝叶斯推断的概念。此外，还有一些研究探讨了LLMs是否隐式地学习执行贝叶斯推断，例如Xie等人（2021年）、McCoy等人（2023年）和Wang等人（2023年）。其中，Wang等人（2023年）的工作与本文最为相关，因为它也连接了LLMs和主题模型。但是，这些研究在目标和方法上与本文有所不同。

Q: 论文如何解决这个问题？

A: 这篇论文通过以下步骤解决LLMs如何捕捉文档主题结构的问题：1. 理论联系：论文首先建立了一个理论联系，将LLMs的自回归目标与隐式贝叶斯建模联系起来，利用de Finetti定理。de Finetti定理表明，对于可交换的序列，学习适应自回归分布等同于对数据背后的潜在分布进行贝叶斯推断。2. 实验验证：论文通过实验验证了这一理论假设。首先，在完全满足de Finetti定理假设的人工可交换序列的合成设置中进行实验。在这个设置中，正如de Finetti定理预测的那样，可以从LLMs中以高精度解码潜在主题分布p(θ|x1:n)。然后，论文转向在自然文本上训练的模型，虽然de Finetti定理在这里不再严格适用，但作者假设由于主题结构在很大程度上不依赖于词序，因此仍然可以解码主题分布。论文以潜在狄利克雷分配（LDA）作为代理贝叶斯模型来表示主题结构，并展示了三种LLMs（GPT-2、LLAMA 2和BERT）的编码包含类似于LDA提取的信息，从而支持LLMs即使在自然设置中也隐式执行贝叶斯推断的假设。3. 控制实验：为了进一步证明语言模型本身学习了潜在的统计模型，而不仅仅是为探测器提供了独特的单词嵌入，论文进行了控制实验。这些实验表明，在合成数据上训练的模型在预测其自己的数据集时表现良好，而在预测由其他主题模型生成的数据集时表现较差。4. 自然语料库测试：论文在自然语料库（20Newsgroups和WikiText-103）上测试了他们的方法，并发现训练好的LLMs在解码文档的主题表示方面表现显著优于随机初始化的GPT-2模型，这支持了训练过程鼓励LLMs隐式开发主题模型的假设。5. 分析与讨论：论文分析了实验结果，并讨论了未来工作的潜在方向，例如开发无监督的主题探测方法，以及将这种分析扩展到其他不严重依赖词序的潜在变量，如文档作者或作者的情感。

Q: 论文做了哪些实验？

A: 这篇论文进行了几类实验来支持其假设，即大型语言模型（LLMs）通过下一个词预测任务隐式地学习了文档的主题结构：1. 合成数据实验：在这个实验中，作者生成了一个合成数据集，其中包含由手动初始化的主题模型（LDA）抽取的词袋。他们在不同的难度设置下训练了自回归变压器解码器（AT）和BERT，并在这些模型的表示上训练了一个线性分类器，以预测由LDA学习的真实主题混合。实验结果表明，在合成数据上，LLMs能够准确地解码出潜在的主题分布。2. 控制实验：为了证明语言模型本身学习了潜在的统计模型，而不仅仅是为分类器提供了独特的单词嵌入，作者在不同的数据集上训练了AT和BERT模型，并在由不同主题模型生成的数据集上测试了它们。结果表明，AT模型在自己生成的数据集上表现更好，这表明语言模型本身对性能负责，而不仅仅是分类器。3. 自然语料库实验：作者在两个自然语料库（20Newsgroups和WikiText-103）上应用了他们的方法。他们使用预训练的LLMs（如GPT-2、LLAMA 2和BERT），在这些模型的表示上训练分类器以预测由LDA学习的主题混合。实验结果表明，训练好的LLMs能够显著地优于随机初始化的GPT-2模型，这支持了LLMs在训练过程中隐式地开发了主题模型的假设。这些实验结果共同支持了LLMs通过下一个词预测任务隐式地学习了文档的主题结构的假设。

Q: 有什么可以进一步探索的点？

A: 这篇论文提出了几个可以进一步探索的点，包括：1. 无监督的主题探测方法：当前的分析使用了特定的主题模型（LDA）作为目标来训练分类器。未来的工作可以开发无监督的方法来确定LLMs假设的主题，这样就不会依赖于特定的单独LDA模型。2. 探测性能与LLM困惑度的关系：论文分析了词预测质量和主题感知之间的关系，但可以进一步探索这个话题，例如，分析不同困惑度水平的LLMs在主题探测任务上的表现。3. 连接到其他潜在变量：论文使用de Finetti定理来联系一种类型的潜在生成分布，即主题。类似的分析可以扩展到其他不严重依赖词序的潜在变量，如文档作者或作者的情感。4. 贝叶斯模型与深度学习的结合：论文展示了贝叶斯模型在深度学习中的适用性，并建议将这种分析扩展到其他贝叶斯模型，以及与这些模型相关的模态的深度学习模型。5. 自然语言处理以外的模态：虽然这篇论文专注于文本，但类似的分析可以应用于其他模态，如图像或音频，以理解这些领域中的深度学习模型是如何捕捉潜在结构的。6. 更广泛的语言理解：可以研究LLMs学习的主题结构如何与其他语言理解方面（如句法、语义角色等）相互作用，以及如何整合这些不同的表示。7. 模型的可解释性：可以进一步研究如何使用主题探测和其他类型的分析来提高对LLMs决策过程的可解释性。8. 模型的泛化能力：可以探索LLMs学习的主题结构如何迁移到未见过的领域或语言，以及如何适应新数据。这些方向都有助于更好地理解LLMs的内部工作机制，以及如何利用这些知识来改进模型的设计和应用。

Q: 总结一下论文的主要内容

A: 这篇论文探讨了大型语言模型（LLMs）如何通过下一个词预测任务隐式地学习文档的主题结构。尽管文本在完整的复杂性下不是可交换的，但作者提出，在局部语境中，词序可能不重要，例如在列举水果列表时，“苹果、香蕉、樱桃”和“香蕉、樱桃、苹果”可以语义等价。在更抽象的层面上，如果文本片段代表离散的语义单元（如段落内的句子），并且独立地对整体意义做出贡献，那么它们也可以被认为是部分可交换的。作者利用de Finetti定理将自回归语言模型的目标与隐式贝叶斯建模联系起来，该定理表明对于可交换的序列，适应自回归分布等同于对数据背后的潜在生成过程进行贝叶斯推断。论文通过在合成数据和自然文本上的实验验证了这一假设。在合成数据上，作者完全满足了de Finetti定理的假设，并发现可以高精度地从LLMs中解码出潜在主题分布。在自然文本上，尽管de Finetti定理不再严格适用，但作者假设主题结构仍然可以被解码，因为主题结构在很大程度上不依赖于词序。以潜在狄利克雷分配（LDA）作为代理贝叶斯模型，作者展示了三种LLMs（GPT-2、LLAMA 2和BERT）的编码包含类似于LDA提取的信息，从而支持LLMs即使在自然设置中也隐式执行贝叶斯推断的假设。这些结果有助于我们理解LLMs的内部工作机制，并为将贝叶斯概率模型与深度神经网络结合起来提供了基础。