A Continuous-Time Reinforcement Learning Framework for Fine-Tuning Discrete Diffusion Models

TL;DR

提出连续时间强化学习框架优化离散扩散模型,提升数学推理和编码任务表现。

cs.LG 🔴 高级 2026-07-16 7 次浏览
Zikun Zhang Jiayuan Sheng David D. Yao Wenpin Tang
强化学习 连续时间 离散扩散模型 政策优化 语言模型

核心发现

方法论

本文提出了一种连续时间强化学习框架,结合控制理论和离散状态空间的策略优化。通过引入连续时间变体的近端政策优化(PPO)和群体相对政策优化(GRPO),实现了对分数驱动的离散扩散模型进行奖励驱动优化。

关键结果

  • 在数独任务中实现了88.2%的准确率,展示了在数学推理和编码任务中的强大效果。
  • 与现有方法相比,PPO算法在低维度合成数据上的生成性能和收敛性均优于替代方法。
  • 在LLaDA实验中,CTRL在数学推理任务(Sudoku、GSM8K和MATH500)和编码任务(HumanEval和MBPP)中表现出色。

研究意义

该研究为离散扩散模型的微调提供了新的视角,解决了传统方法中难以处理非可微奖励信号的问题。它不仅在学术界引起广泛关注,也为工业界的文本生成和语言模型优化提供了新的可能。

技术贡献

本文在离散状态空间中首次提出了连续时间强化学习框架,结合控制理论和RL策略优化,提供了新的理论保证和工程可能性。通过引入轨迹子采样技术,降低了计算每个位置概率比的成本。

新颖性

这是首次在离散状态空间中应用连续时间强化学习框架,解决了非可微奖励信号的优化问题,与现有的GRPO方法相比具有显著创新。

局限性

  • 在高维度任务中,计算成本仍然较高,可能影响实时应用。
  • 该框架对奖励模型的设计要求较高,可能限制其在某些应用中的效果。

未来方向

未来工作可以探索该框架在其他类型的离散扩散模型中的应用,以及进一步优化计算效率。

AI 总览摘要

该研究提出了一种连续时间强化学习框架,用于优化离散扩散模型,特别是掩码扩散大语言模型(dLLMs)。现有方法在处理非可微奖励信号时存在困难,而本文通过引入连续时间变体的近端政策优化(PPO)和群体相对政策优化(GRPO),实现了对分数驱动的离散扩散模型进行奖励驱动优化。

该框架允许在去噪轨迹中整合中间奖励信号,特别是在掩码扩散模型(MDMs)中,提供了一个统一的探索和政策优化视角。通过轨迹子采样技术,降低了计算每个位置概率比的成本,展示了在数学推理和编码任务中的强大效果。

尽管该方法在实验中表现出色,但在高维度任务中计算成本仍然较高,未来工作可以探索进一步优化计算效率,以及在其他类型的离散扩散模型中的应用。

深度分析

研究背景

近年来,扩散模型在图像生成领域取得了显著进展,并逐渐应用于离散数据生成。离散扩散模型通过连续时间马尔科夫链(CTMC)建模状态动态,成为大语言模型(LLMs)生成文本的有力工具。然而,现有方法在处理非可微奖励信号时存在困难,限制了其在强化学习微调中的应用。

核心问题

离散扩散模型的微调面临挑战,因为采样自离散分类分布是不可微的,标准梯度方法无法应用。特别是在语言模型中,传统的自回归方法难以扩展和增强dLLMs的推理能力,因为任何顺序解码的生成序列的似然性难以处理。

核心创新

本文提出了一种连续时间强化学习框架,结合控制理论和离散状态空间的策略优化。通过引入连续时间变体的近端政策优化(PPO)和群体相对政策优化(GRPO),实现了对分数驱动的离散扩散模型进行奖励驱动优化。轨迹子采样技术降低了计算每个位置概率比的成本。

方法详解

  • �� 使用连续时间马尔科夫链(CTMC)建模状态动态
  • �� 引入近端政策优化(PPO)和群体相对政策优化(GRPO)
  • �� 采用轨迹子采样技术降低计算成本
  • �� 在掩码扩散模型(MDMs)中整合中间奖励信号

实验设计

实验使用低维度合成数据和开源的8B dLLM(LLaDA),在数学推理和编码任务中进行测试。通过比较不同算法的生成性能和收敛性,验证了本文方法的有效性。

结果分析

在数独任务中实现了88.2%的准确率,展示了在数学推理和编码任务中的强大效果。与现有方法相比,PPO算法在低维度合成数据上的生成性能和收敛性均优于替代方法。

应用场景

该框架可用于优化大语言模型的文本生成,特别是在需要处理复杂推理任务的场景中。它为工业界的文本生成和语言模型优化提供了新的可能。

局限与展望

在高维度任务中,计算成本仍然较高,可能影响实时应用。该框架对奖励模型的设计要求较高,可能限制其在某些应用中的效果。

通俗解读 非专业人士也能看懂

想象你在厨房里做饭。你有一个食谱,但每一步都需要根据实际情况调整。连续时间强化学习就像在做饭时不断调整调料和火候,以达到最佳味道。离散扩散模型就像是不同的食材,它们需要在特定时间点进行处理。通过不断调整和优化,你可以在最后得到一道美味的菜肴。

简单解释 像给14岁少年讲一样

想象你在玩一个游戏,每个关卡都有不同的挑战。你需要不断调整策略才能通过关卡。连续时间强化学习就像是游戏中的策略调整,帮助你在每个关卡中取得更好的成绩。离散扩散模型就像是游戏中的不同道具,它们需要在特定时间点使用。通过不断优化策略,你可以在游戏中取得更高的分数!

术语表

连续时间马尔科夫链 (CTMC)

一种用于建模系统状态随时间变化的数学模型,状态转移由概率控制。

用于建模离散扩散模型的状态动态。

近端政策优化 (PPO)

一种强化学习算法,通过限制策略更新的幅度来稳定训练过程。

用于优化离散扩散模型的策略。

群体相对政策优化 (GRPO)

一种强化学习算法,利用群体策略的相对优势进行优化。

用于离散扩散模型的微调。

轨迹子采样

一种减少计算成本的技术,通过选择性采样轨迹来估计概率。

用于降低计算每个位置概率比的成本。

掩码扩散模型 (MDM)

一种扩散模型,通过掩码处理数据并预测干净数据。

在离散扩散模型中应用。

开放问题 这项研究留下的未解疑问

  • 1 如何进一步降低高维度任务中的计算成本?
  • 2 如何设计更有效的奖励模型以适应不同应用场景?

应用场景

近期应用

文本生成优化

该框架可用于优化大语言模型的文本生成,特别是在需要处理复杂推理任务的场景中。

远期愿景

智能对话系统

通过优化语言模型,提高智能对话系统的响应质量和推理能力。

原文摘要

We formulate reinforcement learning (RL) in continuous time with discrete state spaces and possibly arbitrary action spaces via a stochastic control approach, where the state dynamics are modeled as a controlled continuous-time Markov chain (CTMC). We consider policy optimization problems and derive the corresponding policy gradient methods, leading to continuous-time variants of proximal policy optimization (PPO) and group relative policy optimization (GRPO). As a primary application, we develop a complete continuous-time RL framework for fine-tuning score-based discrete diffusion models. The proposed framework enables reward-driven optimization without requiring differentiability on the reward signals. In contrast to the existing GRPO-based approaches that only rely on terminal rewards, our formulation allows intermediate reward or advantage signals to be incorporated throughout the denoising trajectory. Importantly, when specialized to masked diffusion models (MDMs), our framework encompasses a rich class of policy parameterizations over the vocabulary simplex with analytically tractable probability ratios, providing a unified perspective on exploration and policy optimization in MDMs. For masked diffusion large language models (dLLMs), we further propose trajectory subsampling techniques to efficiently estimate computationally prohibitive trajectory likelihoods, reducing the computational cost of computing per-position probability ratios. We showcase the effectiveness of our methods on both low-dimensional entropy-regularized optimization problems and RL post-training of dLLMs on mathematical reasoning and coding tasks.

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