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用歧义的线性表征改进语言模型置信度估计

Improving Confidence Estimation in Language Models with Linear Representations of Ambiguity

arXiv· arXiv:2611.11838· Themistoklis Nikas, Nishant Subramani, Aaron MuellerBoston University; Carnegie Mellon University, Language Technologies Institute本站收录· 2 天前· 原文发表对齐

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据论文 PDF 整理(AI 生成),以原文为准

作者用 difference-in-means 提取 LM 的歧义方向并提出 DART 微调;作者称在 Llama-3.3-70B 上 DART 改善校准且基本保持准确率。

问题
LM 对自身回答正确率的置信度估计不准,作者认为这与输入固有的歧义(aleatoric uncertainty)有关,想检验 LM 内部是否存在可利用的歧义表示来改善校准。
方法
在 AMBIENT 的歧义/消歧最小对上按四类歧义做 difference-in-means 得到方向,按选择性选层;再提出 DART:LoRA 微调时把更新限制在歧义子空间内、惩罚子空间外的激活变化。
实验与结果
在 7 个模型、MMLU/TruthfulQA/AmbigQA 上评测。作者称 DART 在 logits 协议下稳定改善校准且准确率损失很小,如 Llama-3.3-70B 在 MMLU 的 AUC-EURO 从 0.753 升至 0.863;verbalized 协议下改善更小。
局限与可以继续做的
作者指出:只覆盖"多重解读"这一种歧义,未涉及模糊性;DART 有效不代表找到了真正的歧义表示;未与不确定性、难度等表示对比。主结果集中在 Llama-3.3-70B,其余模型在附录。
实验设置Llama-3.3-70B-Instruct、gemma-4-E4B-it 等 · AMBIENT、MMLU 等 · smECE、AUC-EURO 等
被测模型
Llama-3.3-70B-Instructgemma-4-E4B-itQwen3.5-4BQwen3.5-27BLlama-3.1-8B-InstructOLMo-3-7B-InstructPhi-4-mini-instruct
基准
AMBIENTMMLUTruthfulQAAmbigQACAD
指标
smECEAUC-EUROAUROCaccuracyEMF1
AI 导读研究者从语言模型激活中提取输入歧义的线性表征,并提出 DART 微调方法改进置信度校准。作者对歧义句与无歧义句的最小配对做 difference-in-means 得到歧义方向,发现沿该方向引导能较弱但选择性地改变模型对输入歧义的判断。DART 鼓励参数更新落在这些歧义方向的张成空间内,惩罚该子空间之外的激活变化。据摘要,该方法显著改善校准,把改进写入模型参数,并在多项选择与生成式问答任务上保持准确率。

研究者从语言模型激活中提取输入歧义的线性表征,并提出 DART 微调方法改进置信度校准。作者对歧义句与无歧义句的最小配对做 difference-in-means 得到歧义方向,发现沿该方向引导能较弱但选择性地改变模型对输入歧义的判断。DART 鼓励参数更新落在这些歧义方向的张成空间内,惩罚该子空间之外的激活变化。据摘要,该方法显著改善校准,把改进写入模型参数,并在多项选择与生成式问答任务上保持准确率。

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6个问题,点开问题读完整回答

  1. 这篇论文试图解决什么问题?

    LM 置信度校准差;作者假设内部存在输入歧义的线性表示,可用来改善校准。

    核心问题:语言模型对自身回答正确率的置信度估计不准,作者想利用模型内部对输入歧义的表示来改善置信度校准。

    • 场景与动机:作者认为,随着 LM 部署到高风险场景,准确估计其在给定输入上成功的可能性对下游决策(如请求澄清、转交检索)很关键;而已有工作显示 LM 是自身成功概率的不佳估计者。
    • 核心假设:校准不佳部分源于未能检测 aleatoric uncertainty(输入固有的歧义,如"bank"可指银行或河岸);作者假设 LM 内部以线性表示的形式编码了输入歧义的至少部分信息。作者注明只关注 aleatoric uncertainty,不涉及与模型知识相关、因模型而异的 epistemic uncertainty。
    • 现有方法不足:按论文说法,已有可解释性工作发现了与答案真实性相关的表示,但表示存在不等于模型能输出校准的置信度;近期用表示干预行为的工作多针对拒答、谄媚、幻觉,而非校准。
    • 论文提出:(1) 用 difference-in-means 在歧义/消歧最小对上提取歧义方向并验证其因果影响;(2) 提出 DART(Direction-Aligned Regularization for Tuning),一种把更新限制在歧义子空间内的 LoRA 微调方法,把校准改善编码进模型参数。
  2. 有哪些相关研究?

    相关工作分四组:置信度估计与校准、NLP 中的歧义、可行动的可解释性、转向向量方法。

    置信度估计与校准

    • 后验校准方法:histogram regression(Nobel, 1996)、Platt scaling(Platt, 1999)、isotonic regression(Barlow et al., 1972)、beta calibration(Kull et al., 2017)等,对单一置信度做再校准。
    • LM 置信度获取方式:序列联合概率(Desai and Durrett, 2020)、直接提问(linguistic calibration;Mielke et al., 2022;Tian et al., 2023;Band et al., 2024)、利用模型内部状态(Liu et al., 2024;Subramani et al., 2025, 2026;Kumaran et al., 2026)。

    NLP 中的歧义

    • Pavlick and Kwiatkowski (2019) 显示 NLI 标注分歧反映合理解读差异;Plank (2022) 主张直接建模标签差异;Baan et al. (2022) 显示标准校准指标在多重解读输入上失效。
    • 歧义基准:开放域问答歧义(Min et al., 2020)、scope 歧义(Kamath et al., 2024)、AMBIENT(Liu et al., 2023)与歧义分类体系(Li et al., 2024),论文称这些评测结果好坏参半。

    可行动的可解释性(actionable interpretability)

    • 早期"BERTology"定位语言结构表示(Hewitt and Manning, 2019;Tenney et al., 2019 等);近期主张可解释性应按下游实用性评估(Nanda et al., 2025;Orgad et al., 2026)。
    • 用表示干预行为的工作多针对拒答(Arditi et al., 2024)、谄媚(Chen et al., 2025)、幻觉(Prasad et al., 2026);作者定位本文的区别是:以置信度校准为目标,用少量方向直接改善校准。

    转向向量与基线

    • 定位转向向量最常用的方法是 difference-in-means(Marks and Tegmark, 2024;Rimsky et al., 2024),本文沿用。
    • 实验基线:base 模型、无正则的 LoRA(等价于 λ=0 的 DART)、同秩随机子空间的 DART(Random DART)、推理期 steering;后验校准对照为 temperature scaling、Platt scaling、beta calibration、isotonic regression。基准为 MMLU、TruthfulQA、AmbigQA。
  3. 论文如何解决这个问题?

    先在最小对上提取歧义方向并按选择性选层,再用 DART 把 LoRA 更新限制在歧义子空间内。

    整体思路:用 difference-in-means 从歧义/消歧最小对中提取歧义方向,验证其对模型歧义判断的选择性影响,再用 DART 微调把校准改善固化到参数中。

    数据与方向提取

    • 数据来自 AMBIENT(Liu et al., 2023),每个歧义句配一个或多个最小改写的消歧句,构成对比对;按 Li et al. (2024) 的分类体系标注歧义类型。
    • 只保留验证样本足够的四类:pragmatic、lexical、scopal、syntactic;每类 80% 训练、20% 验证,同一歧义句派生的对放入同一划分。规模为训练 907 对、验证 226 对(Table 2)。
    • 对每个类别 c 和层 ℓ,候选方向为配对激活均值之差:vc,ℓ = 1/Nc∑i (hℓ(xambi) − hℓ(xcleari)),即歧义句与消歧句平均激活的差。

    干预与选层

    • 干预强度用相对量表示:把归一化方向按该层激活平均范数 ρℓ 的百分比 α 加到隐藏状态上,α 取自 0.1% 到 200% 的 11 档;作者称这样可跨层、跨模型比较。
    • 选择性定义:对歧义句的转向效应均值减去对消歧句的效应均值,Sel(ℓ, α) = S_amb − S_clear;歧义分数 ψ(s) 为模型在歧义判断提示下 Yes 与 No 的对数概率之差。
    • 选层:先对 α 取平均,再按各类别验证对数量加权得到 Selw(ℓ),取 arg max 得到共享层 ℓ;作者报告所有模型的 ℓ 都落在偏早的中下层(Figure 2、附录 E)。

    DART 微调

    • 用选出的 k 个方向构成矩阵 V,投影 P = V(VᵀV)⁻¹Vᵀ;训练损失为 Li = (1−λi)LCE,i + λi |(I−P)(hi − h0,i)|22,即惩罚歧义子空间外的激活变化、允许子空间内自由更新。
    • 逐样本权重 λi 等于当前模型对正确答案的概率:答得好的样本被更强地约束在子空间内,答得差的样本更侧重任务目标。
    • 实现细节:作用于 attention 的 q_proj 和 v_proj(Phi-4-mini 用合并的 qkv_proj),训练 3 个 epoch;LoRA rank r ∈ {4, 8, 16}、学习率 {1e-4, 1e-5},每模型 6 组配置,按验证集 AUC-EURO 选配置。

    置信度获取与指标

    • 两种协议:logits 协议把候选答案标签 {A,B,C,D} 上的归一化概率作为置信度(开放生成用长度归一化似然);verbalized 协议让模型直接输出 0–100 的置信数,解析失败的生成按"答错且置信度最高"处理。
    • 指标:smECE(无超参的校准误差)、AUC-EURO(兼顾校准与决策效用)、AUROC、准确率;AmbigQA 另报 EM 和 token 级 F1。
  4. 论文做了哪些实验?

    7 个模型、3 个基准、2 种置信度协议;作者称 DART 在 logits 协议下稳定改善校准。

    实验设置

    • 被测模型:gemma-4-E4B-it、Qwen3.5-4B、Qwen3.5-27B、Llama-3.1-8B-Instruct、Llama-3.3-70B-Instruct、OLMo-3-7B-Instruct、Phi-4-mini-instruct,共 7 个;主文聚焦 Llama-3.3-70B-Instruct,其余在附录 G/H。
    • 基准:MMLU 全部科目;TruthfulQA MC1 中保留至少 4 个选项的 684 题;AmbigQA 开放生成(5,036 题评测、5,000 题微调)。
    • 方法对照:Base、Steering、LoRA、Random DART(同秩随机子空间)、DART;后验校准对照为 temperature scaling、Platt scaling、beta calibration、isotonic regression。
    • 指标与判定:smECE、AUC-EURO、AUROC、准确率;AmbigQA 用 EM 判定正确性并报 token 级 F1。无 LLM 评审。
    • 统计检验:配对置换检验(MMLU/AmbigQA 5,000 次置换,TruthfulQA 1,000 次),Holm–Bonferroni 校正 α=0.05;95% bootstrap 区间(5,000 次重采样)。
    • 训练/选择:LoRA 与 DART 在 MMLU auxiliary_train 的 5,000 条上训练;TruthfulQA 用 10 折交叉拟合重复 20 次,直接用 MMLU 上训练的适配器。

    主结果

    Llama-3.3-70B-Instruct、logits 协议(据 Figure 5 与 Table 1):

    表格较宽,可左右滑动

    方法MMLU AUC-EUROMMLU AUROCTruthfulQA AUC-EUROTruthfulQA AUROCAmbigQA smECE↓AmbigQA AUC-EURO
    Base.753.617.710.6310.5430.540
    Steering.770.766.745.7260.4580.599
    LoRA.832.838.821.8800.1270.777
    Random DART.834.838.820.8680.1360.774
    DART.863.840.860.8780.0900.778
    • 作者称 base 模型的主要失效模式是过度自信,steering 只带来有限改善,DART 在更大置信度范围内让置信度与准确率对齐,且任务表现变化很小。
    • 作者称这些趋势在不同家族、不同规模的模型上成立,DART 在多选 QA 上校准稳定优于标准 LoRA(附录 G);Figure 14 中各模型在 logits 协议下多有 DART 相对 Base 的统计显著标记。
    • AmbigQA 上 DART 的 EM 为 0.485、F1 为 0.596,低于 LoRA 的 0.519/0.628(Table 1),即开放生成上校准改善伴随一定任务指标下降。

    随机子空间与概念对照

    • 随机子空间 DART:把歧义子空间换成同秩随机子空间后校准仍优于 base,但作者报告 DART 用歧义方向时校准误差更低、AUC-EURO 更高(Figure 5、Figure 21);作者据此认为歧义子空间本身有贡献。
    • 情感方向对照:用 CAD 数据提取的情感方向做 steering,对校准的影响很小(Figure 20)。
    • 随机方向 steering:与 20 个随机方向比较,歧义 steering 在部分设置下优于多数随机方向(如 MMLU logits 协议 1−smECE 上优于 12/20),但作者称这一优势在不同数据集和协议间并不稳定。

    后验校准与 verbalized 协议

    • 后验校准:temperature scaling 等四种方法大幅降低校准误差,且与 steering/LoRA/DART 可叠加;作者称叠加后常能进一步改善,但收益并非稳定可加(Figure 6、附录 H)。
    • verbalized 协议:置信度校准整体远差于 logits 协议,各方法的改善也更小;Figure 16 显示 steering 接近 base,DART 只在 MMLU 上改善 AUC-EURO。Llama-3.1-8B-Instruct 在 AmbigQA 上经 LoRA 和 DART 后解析失败问题突出(按论文规定按答错且最高置信处理)。

    其他消融与分析

    • 选层位置:所有模型的最高选择性层都在偏早的中下层(Figure 11,如 Llama-3.3-70B 的 ℓ*=30/80 层)。
    • token 位置:峰值选择性的位置因模型和 token 而异,作者固定使用 offset 1,因其对所有模型都落在中间层高选择性带内(Figure 12、13)。
    • 定性示例:对 MMLU 例题加方向后模型输出提到潜在歧义、减方向后输出称无歧义(Figure 3、Table 5);作者注明不判断这些输出质量,也不声称所得方向就是歧义的真实表示。
    • 超参数选择:Llama-3.3-70B 在 MMLU logits 协议下选中 scopal 方向、强度 200%,LoRA/DART rank 均为 8(Table 3)。
  5. 有什么可以进一步探索的点?

    作者列出歧义覆盖单一、表示归因不确定等局限;实验覆盖 7 个模型、3 个基准。

    作者指出的局限与后续方向

    • 歧义的操作化只覆盖"一个输入有多重解读"这一种成分,未考虑开放域问题模糊性(vagueness)意义上的歧义(Limitations 节)。
    • DART 的正面结果不一定意味着找回的是歧义本身的表示;作者称关于 LM 是否干净表示歧义的可解释性结论只能视为初步(Limitations 节)。
    • 未显式对比歧义、不确定性(uncertainty)与难度(difficulty)三种表示;作者认为三者可能以不同方式中介置信度,结合它们可能带来更大改善,但未证明歧义表示一定优于其他概念表示(Limitations 节)。
    • 作者解释未研究不确定性与难度表示的原因:隔离这些表示更困难、且可能更依赖具体被评模型(Limitations 节)。
    • 作者计划 deanonymization 后发布数据和代码(脚注 2)。

    实验覆盖范围

    • 被测模型为 7 个指令微调模型:gemma-4-E4B-it、Qwen3.5-4B/27B、Llama-3.1-8B-Instruct、Llama-3.3-70B-Instruct、OLMo-3-7B-Instruct、Phi-4-mini-instruct(§4.1)。
    • 基准为 MMLU、TruthfulQA(684 题)、AmbigQA(5,036 题评测);歧义方向数据为 AMBIENT 转换的 907 训练对、226 验证对,仅四类歧义(Table 2)。
    • 主文结果集中在 Llama-3.3-70B-Instruct,其余 6 个模型的结果在附录 G/H;作者称趋势在各模型间大体一致。
    • 置信度协议为 logits 与 verbalized 两种;主评测聚焦 logits 协议,verbalized 结果在附录 G。
    • 论文未报告各方法在全部模型上的完整数值表(附录结果以带误差棒的图形式给出,多数数值未标注)。
  6. 总结一下论文的主要内容

    用歧义方向的线性表示引导微调,作者称可在保持准确率的同时改善 LM 置信度校准。

    一篇可解释性驱动的校准论文:从 LM 激活中找输入歧义的线性方向,再用它约束微调来改善置信度估计。

    • 问题:LM 的置信度不能准确预测其正确率;作者假设部分原因是模型未利用内部对输入歧义(aleatoric uncertainty)的编码。
    • 方法:在 AMBIENT 的歧义/消歧最小对上按 pragmatic、lexical、scopal、syntactic 四类做 difference-in-means 提取方向,按"对歧义句影响大于消歧句"的选择性选层;提出 DART——LoRA 微调时惩罚歧义子空间外的激活变化,正则权重随模型对正确答案的置信度逐样本调整。
    • 方向验证:所有被测模型的最高选择性层都在偏早中下层;定性示例中加减方向分别让模型输出提到或否认歧义(Figure 3)。
    • 主结果(Llama-3.3-70B-Instruct、logits 协议):MMLU 上 AUC-EURO 从 Base 的 .753 升至 DART 的 .863,TruthfulQA 从 .710 升至 .860(Figure 5);AmbigQA 上 smECE 从 0.543 降至 0.090(Table 1)。作者称准确率在多选任务上基本不变,趋势在 7 个模型间大体一致。
    • 对照:同秩随机子空间的 DART 也改善校准但弱于歧义方向;情感方向 steering 几乎不影响校准;verbalized 协议下各方法改善更小。
    • 作者结论:DART 把校准改善编码进参数、免去推理期干预,但不能替代人工风险评估;作者强调其结果不代表找回的就是歧义的真实表示,也未与不确定性、难度表示对比。
阅读原文arxiv.org