We present rStar-Math to demonstrate that small language models (SLMs) can rival or even surpass the math reasoning capability of OpenAI o1, without distillation from superior models. rStar-Math achieves this by exercising "deep thinking" through Monte Carlo Tree Search (MCTS), where a math policy SLM performs test-time search guided by an SLM-based process reward model. rStar-Math introduces three innovations to tackle the challenges in training the two SLMs: (1) a novel code-augmented CoT data sythesis method, which performs extensive MCTS rollouts to generate step-by-step verified reasoning trajectories used to train the policy SLM; (2) a novel process reward model training method that avoids na\"ive step-level score annotation, yielding a more effective process preference model (PPM); (3) a self-evolution recipe in which the policy SLM and PPM are built from scratch and iteratively evolved to improve reasoning capabilities. Through 4 rounds of self-evolution with millions of synthesized solutions for 747k math problems, rStar-Math boosts SLMs' math reasoning to state-of-the-art levels. On the MATH benchmark, it improves Qwen2.5-Math-7B from 58.8% to 90.0% and Phi3-mini-3.8B from 41.4% to 86.4%, surpassing o1-preview by +4.5% and +0.9%. On the USA Math Olympiad (AIME), rStar-Math solves an average of 53.3% (8/15) of problems, ranking among the top 20% the brightest high school math students. Code and data will be available at https://github.com/microsoft/rStar.


翻译:我们提出rStar-Math,以证明小型语言模型(SLMs)无需从更优模型进行蒸馏,即可匹敌甚至超越OpenAI o1的数学推理能力。rStar-Math通过蒙特卡洛树搜索(MCTS)进行"深度思考"来实现这一目标,其中数学策略SLM在基于SLM的过程奖励模型的指导下执行测试时搜索。为应对训练这两个SLM的挑战,rStar-Math引入了三项创新:(1)一种新颖的代码增强思维链数据合成方法,通过执行广泛的MCTS推演来生成经过逐步验证的推理轨迹,用于训练策略SLM;(2)一种新颖的过程奖励模型训练方法,避免了简单的步骤级分数标注,从而产生更有效的过程偏好模型(PPM);(3)一种自演化方案,其中策略SLM和PPM从零开始构建,并通过迭代演化提升推理能力。通过对74.7万个数学问题生成数百万条合成解决方案并进行4轮自演化,rStar-Math将SLMs的数学推理能力提升至最先进水平。在MATH基准测试中,它将Qwen2.5-Math-7B的准确率从58.8%提升至90.0%,将Phi3-mini-3.8B的准确率从41.4%提升至86.4%,分别超越o1-preview模型4.5%和0.9%。在美国数学奥林匹克竞赛(AIME)中,rStar-Math平均解决了53.3%(8/15)的题目,表现跻身于最优秀的前20%高中数学学生之列。代码和数据将在https://github.com/microsoft/rStar 发布。

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