Random Policy Valuation is Enough for LLM Reasoning with Verifiable Rewards

TL;DR

提出ROVER算法,通过评估固定随机策略的Q值实现LLM推理,性能优于复杂方法。

cs.LG 🔴 高级 2025-09-30 53 次浏览
Haoran He Yuxiao Ye Qingpeng Cai Chen Hu Binxing Jiao Daxin Jiang Ling Pan
强化学习 大模型推理 算法简化 数学推理 多样性保持

核心发现

方法论

论文分析了数学推理中的RLVR任务,发现其为具有确定性树状转移的有限时域MDP。基于此,作者证明在此结构下,最优动作可由固定均匀随机策略的Q函数直接获得,省略GPI循环。提出ROVER算法,利用软max采样Q值,保持探索多样性。该方法无需复杂策略优化,直接从Q值估计中实现高效推理,结合奖励中心化和模型参数内Q值表示,显著简化训练流程。

关键结果

  • 在多个数学推理基准(AIME24、AIME25、HMMT25)上,ROVER在pass@1指标提升8.2%,pass@256提升16.8%,超越PPO、GRPO等复杂方法。多模型实验显示其在质量和多样性方面均优于传统强化学习方法,且能发现新颖推理路径,增强模型推理能力。
  • 通过理论证明,随机策略Q值可直接导出最优动作,避免繁琐的策略迭代。实验证明,软max采样在保持性能的同时,显著提升推理多样性(+17.6%),验证了理论分析的有效性。
  • 在多样性保持和训练稳定性方面,ROVER表现优异,减少了训练中的不稳定性和调参复杂度,为大规模LLM推理提供了新思路。

研究意义

该研究突破了传统深度强化学习在复杂控制环境中的局限,提出极简主义但高效的算法,极大降低了推理任务的实现难度。通过理论与实证结合,揭示了在特定树状MDP结构下的最优策略简化路径,为大模型推理提供新范式。此方法不仅提升了推理质量,还增强了多样性,有助于模型探索多路径解决方案,推动AI推理能力的边界。未来,结合更复杂环境和多模态任务,有望实现更广泛的应用。

技术贡献

论文的核心技术创新在于证明在树状、确定性MDP中,最优动作可由固定均匀策略的Q值直接获得,省略GPI循环。提出ROVER算法,利用Q值softmax采样实现多样性,避免复杂的策略优化和调参。结合奖励中心化和模型内Q值参数化,极大简化训练流程,提升训练稳定性。理论分析提供了性能保证,实验证明其在大规模推理任务中的优越表现,为RL在特定结构任务中的应用开辟新路径。

新颖性

首次在数学推理任务中证明,树状、确定性MDP结构下,随机策略Q值足以导出最优动作,打破了以往对策略优化的依赖。提出的ROVER算法以极简方式实现高性能推理,兼顾多样性与质量,显著不同于依赖复杂策略优化和调参的传统方法。这一理论突破为RL在特定任务中的应用提供了新视角,推动了算法简化与效率提升。

局限性

  • 该方法依赖于任务的树状、确定性结构,难以直接推广到具有随机性或复杂状态转移的环境。
  • 在极端复杂或长时序任务中,Q值估计可能仍存在偏差,影响策略效果。
  • 虽然简化训练,但在某些任务中仍需调节温度参数以平衡多样性与性能,存在一定调参需求。

未来方向

未来将探索该方法在更复杂、非树状环境中的扩展,结合多模态信息提升推理能力。同时,研究如何自动调节温度参数以实现最优多样性与质量平衡,以及将此策略应用于多任务、多模态推理场景,推动AI推理的普适性和鲁棒性。

AI 总览摘要

近年来,随着大规模语言模型(LLMs)在多种任务中的表现不断提升,如何进一步增强其推理能力成为研究焦点。传统的强化学习(RL)方法如PPO和GRPO,虽在优化策略方面表现出色,但在训练稳定性和多样性保持方面存在挑战,尤其是在数学推理等结构化任务中。本文提出了一种极简主义的算法ROVER(Random Policy Valuation for Diverse Reasoning),基于对数学推理中特定MDP结构的深入分析,证明在树状、确定性环境下,最优动作可以由固定均匀随机策略的Q值直接导出,无需复杂的策略迭代。该算法通过软max采样Q值,既保证了推理的质量,又保持了多样性,显著优于现有复杂方法。在多个数学推理基准上,ROVER实现了8.2%的pass@1提升和16.8%的pass@256提升,验证了其高效性和实用性。这一突破不仅简化了推理训练流程,还为RL在特定结构任务中的应用提供了新思路。未来,结合多模态信息和更复杂环境,ROVER有望推动AI推理能力迈向新高度。

深度分析

研究背景

大规模语言模型(LLMs)在自然语言理解和生成中取得巨大成功,强化学习(RL)被引入以增强其推理能力。早期方法如RLHF(Reinforcement Learning with Human Feedback)和策略优化算法(如PPO、GRPO)在多任务适应性方面表现优异,但在数学推理等结构化任务中存在训练不稳定、多样性下降的问题。近年来,研究者开始关注特定任务的结构特性,试图简化RL框架以提升效率。数学推理任务的MDP结构具有树状、确定性特征,提供了理论上的简化可能。此前工作多依赖复杂的策略优化技巧,存在调参繁琐、训练不稳定等弊端。本文基于此背景,探索在特定结构下的极简RL策略,寻求突破。

核心问题

当前RL方法在数学推理中的应用面临两大难题:一是训练过程不稳定,容易陷入多样性崩溃,难以保持多路径探索;二是复杂的策略优化带来调参繁琐,计算成本高。尤其在大模型环境下,策略迭代和价值估计的复杂性限制了实际应用。如何在保证推理质量的同时,简化训练流程、提升多样性,成为亟待解决的问题。本文试图在结构化任务的特殊MDP模型中,找到一种无需繁琐优化的极简策略,从而突破现有瓶颈。

核心创新

核心创新包括:1)理论证明在树状、确定性MDP中,固定均匀随机策略的Q值可直接导出最优动作,省略GPI循环;2)提出ROVER算法,通过评估此固定策略的Q值,利用softmax采样实现多样性,避免策略崩溃;3)结合奖励中心化和模型内Q值参数化,极大简化训练流程,提升稳定性。这些创新打破了传统深度RL对复杂策略优化的依赖,为特定任务提供了极简而高效的解决方案。

方法详解

  • �� 任务建模:数学推理被形式化为有限时域、树状、确定性MDP,状态为推理步骤,动作为推理选择,奖励为二元(正确/错误)。
  • �� 理论分析:证明在此结构下,随机策略的Q值可直接导出最优动作,避免策略迭代。
  • �� Q值估计:利用模型参数内Q值表示,结合奖励中心化,减少估计偏差。
  • �� 采样策略:通过softmax对Q值采样,保持探索多样性。
  • �� 训练流程:采用固定行为策略,评估Q值,利用梯度优化Q函数参数,简化训练。

实验设计

在AIME24、AIME25、HMMT25等标准数学推理数据集上,比较ROVER与PPO、GRPO等方法。指标包括pass@1、pass@256,ROVER在多模型、多任务中表现优异。通过消融实验验证Q值理论的正确性,调节温度参数以平衡多样性与性能。实验还展示了ROVER发现新推理路径的能力,验证其探索优势。

结果分析

ROVER在多个基准上实现8.2%的pass@1提升和16.8%的pass@256提升,超越复杂RL方法。多模型实验显示其在推理质量和路径多样性方面均优于传统方法,且能发现未被训练模型捕获的新路径。理论验证表明,Q值估计的正确性和softmax采样的多样性平衡效果显著。实验证明,极简策略在复杂推理任务中的有效性和鲁棒性。

应用场景

该方法适用于需要多路径推理的数学、逻辑推断任务,尤其在教育、自动推理系统中具有潜在应用。通过简化训练流程,降低部署门槛,有助于推动大模型在专业领域的推理能力提升。未来结合多模态信息,有望实现更复杂场景的推理增强。

局限与展望

该方法依赖于任务的树状、确定性结构,难以推广到随机性或循环性更强的环境。Q值估计在长时序或极复杂任务中可能偏差较大。调节温度参数以平衡多样性与质量仍需经验,存在调参难题。未来需研究更广泛环境的适应性和鲁棒性。

通俗解读 非专业人士也能看懂

想象你在一个迷宫里找出口,每个选择都像是走不同的路。传统方法就像用复杂的地图和指南针,试图每次都找到最短路,但很容易迷路或错过其他可能的出口。这个研究发现,在特定类型的迷宫(树状、路径唯一)中,你其实只需要随机选择一条路,然后根据“成功概率”来决定下一步,就能找到最好的出口。这就像你用一个简单的猜测(随机选择)来判断哪个方向最可能成功,然后一直走那个方向。这样既简单又能找到多个出口,不会只走一条路。这种方法不用复杂的地图或指南针,却能高效、灵活地解决问题。

简单解释 像给14岁少年讲一样

想象你在玩一个迷宫游戏,你可以随意走,但你想最快找到出口。以前的办法像是用超级复杂的地图和指南针,要花很多时间调试。现在,这个新方法告诉你,其实只要随机走几步,然后根据每个方向成功的概率选择下一步,就能找到最好的出口!而且还能找到很多不同的出口,不会只找到一个。这就像你用一个简单的猜测方法,既快又能探索多条路,特别适合迷宫像树一样分叉的复杂路径。这个发现让解决问题变得简单又高效,特别适合像大模型这样复杂的系统。

术语表

Markov Decision Process (MDP) (马尔可夫决策过程)

一种数学模型,用于描述决策者在随机环境中的行为选择,包含状态、动作、奖励和转移概率。在论文中,用于建模推理任务的结构。

定义数学推理任务的环境模型。

Q函数 (Q-value)

表示在某状态下采取某动作后,未来累计奖励的期望值。在论文中,用于评估动作的优劣。

核心用于动作选择和策略评估。

策略 (Policy)

决定在每个状态下采取哪个动作的规则或函数。在本文中,强调固定随机策略的Q值作用。

推导最优动作的基础。

softmax采样 (Softmax sampling)

根据Q值的指数函数概率分布选择动作,平衡探索与利用。在论文中用于保持多样性。

实现多路径探索。

奖励中心化 (Reward centering)

用平均奖励减去原始奖励,减少估值方差,提高训练稳定性。在论文中用于Q值估计。

提升训练效率。

开放问题 这项研究留下的未解疑问

  • 1 该方法在非树状、非确定性环境中的适用性尚未验证,未来需研究其推广可能性。
  • 2 如何自动调节温度参数以实现最优多样性与质量平衡仍是未解难题。
  • 3 在极长时序或复杂任务中,Q值估计的偏差对策略效果的影响需要进一步分析。

应用场景

近期应用

数学推理自动解题

可应用于教育和自动化评估系统,提升模型在数学题中的推理能力,降低训练复杂度。

逻辑推理系统优化

在自动推理和决策支持系统中,简化模型训练流程,增强多路径探索能力。

远期愿景

多模态推理增强

结合视觉、语音等多模态信息,扩展到更复杂的推理场景,推动AI普适推理能力。

原文摘要

RL with Verifiable Rewards (RLVR) has emerged as a promising paradigm for improving the reasoning abilities of large language models (LLMs). Current methods rely primarily on policy optimization frameworks like PPO and GRPO, which follow generalized policy iteration that alternates between evaluating the current policy's value and improving the policy based on evaluation. While effective, they often suffer from training instability and diversity collapse, requiring complex heuristic tricks and careful tuning. We observe that standard RLVR in math reasoning can be formalized as a specialized finite-horizon Markov Decision Process with deterministic state transitions, tree-structured dynamics, and binary terminal rewards. Though large in scale, the underlying structure is simpler than general-purpose control settings for which popular RL algorithms (e.g., PPO) were developed, suggesting that several sophisticated techniques in existing methods may be reduced or even omitted. Based on this insight, we prove a surprising result: the optimal action can be recovered from the Q-function of a fixed uniformly random policy, thereby bypassing the generalized policy iteration loop and its associated heuristics. We introduce Random Policy Valuation for Diverse Reasoning (ROVER) to translate this principle into a practical and scalable algorithm for LLM math reasoning, a minimalist yet highly effective RL method that samples actions from a softmax over these uniform-policy Q-values. ROVER preserves diversity throughout training, allowing sustained exploration of multiple valid pathways. Across multiple base models and standard math reasoning benchmarks, ROVER demonstrates superior performance in both \textbf{quality} (\textbf{+8.2} on pass@1, \textbf{+16.8} on pass@256) and \textbf{diversity} (\textbf{+17.6\%}), despite its radical simplification compared to strong, complicated existing methods.

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