Algorithmic reasoning requires capabilities which are most naturally understood through recurrent models of computation, like the Turing machine. However, Transformer models, while lacking recurrence, are able to perform such reasoning using far fewer layers than the number of reasoning steps. This raises the question: what solutions are learned by these shallow and non-recurrent models? We find that a low-depth Transformer can represent the computations of any finite-state automaton (thus, any bounded-memory algorithm), by hierarchically reparameterizing its recurrent dynamics. Our theoretical results characterize shortcut solutions, whereby a Transformer with $o(T)$ layers can exactly replicate the computation of an automaton on an input sequence of length $T$. We find that polynomial-sized $O(\log T)$-depth solutions always exist; furthermore, $O(1)$-depth simulators are surprisingly common, and can be understood using tools from Krohn-Rhodes theory and circuit complexity. Empirically, we perform synthetic experiments by training Transformers to simulate a wide variety of automata, and show that shortcut solutions can be learned via standard training. We further investigate the brittleness of these solutions and propose potential mitigations.


翻译:算法推理需要的能力最自然地是通过循环计算模型(如图灵机)来理解的。然而,Transformer模型虽然缺乏循环机制,却能用远少于推理步数的层数执行此类推理。这引发了一个问题:这些浅层且非循环的模型学到了何种解决方案?我们发现,低层深度的Transformer可以通过层级化地重新参数化其循环动力学,来表示任意有限状态自动机(从而表示任何有界内存算法)的计算。我们的理论结果刻画了捷径解决方案的特征——一个具有$o(T)$层的Transformer能够精确复现输入序列长度为$T$的自动机计算。我们证明,多项式规模的$O(\log T)$层解决方案始终存在;此外,$O(1)$层模拟器出奇地普遍,且可通过克罗恩-罗兹理论和电路复杂性工具来理解。实验方面,我们通过训练Transformer模拟各类自动机进行合成实验,表明捷径解决方案可通过标准训练习得。我们进一步研究了这些解决方案的脆弱性,并提出了潜在的缓解措施。

0
下载
关闭预览

相关内容

最新《Transformers模型》教程,64页ppt
专知会员服务
326+阅读 · 2020年11月26日
神经常微分方程教程,50页ppt,A brief tutorial on Neural ODEs
专知会员服务
74+阅读 · 2020年8月2日
Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
机器学习入门的经验与建议
专知会员服务
94+阅读 · 2019年10月10日
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
105+阅读 · 2019年10月9日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
BERT/Transformer/迁移学习NLP资源大列表
专知
19+阅读 · 2019年6月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
19篇ICML2019论文摘录选读!
专知
28+阅读 · 2019年4月28日
无监督元学习表示学习
CreateAMind
27+阅读 · 2019年1月4日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Arxiv
1+阅读 · 2023年6月16日
Arxiv
0+阅读 · 2023年6月15日
Arxiv
20+阅读 · 2021年9月22日
Arxiv
27+阅读 · 2020年6月19日
Arxiv
20+阅读 · 2018年10月25日
VIP会员
最新内容
无人机自主控制与人工智能:系统性综述
专知会员服务
5+阅读 · 今天7:25
巡飞弹与反无人机系统——现代战场的两大支柱
专知会员服务
2+阅读 · 今天6:54
《打造“黄金舰队”》57页报告
专知会员服务
1+阅读 · 今天6:52
《北约数字教官网络发展路径》128页报告
专知会员服务
1+阅读 · 今天6:33
ECCV 2026 | MIMFlow:MIM与归一化流统一图像生成
专知会员服务
6+阅读 · 6月25日
网状网络及其在军事领域的运用
专知会员服务
7+阅读 · 6月25日
无美国参与的欧洲战争方式(万字长文)
专知会员服务
8+阅读 · 6月25日
《国防领域敏感性分析白皮书》
专知会员服务
9+阅读 · 6月25日
综述 | 从问答到任务完成:Agent系统与Harness设计
Agentic RL:框架、实践与长程智能体训练
专知会员服务
10+阅读 · 6月24日
相关VIP内容
最新《Transformers模型》教程,64页ppt
专知会员服务
326+阅读 · 2020年11月26日
神经常微分方程教程,50页ppt,A brief tutorial on Neural ODEs
专知会员服务
74+阅读 · 2020年8月2日
Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
机器学习入门的经验与建议
专知会员服务
94+阅读 · 2019年10月10日
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
105+阅读 · 2019年10月9日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
BERT/Transformer/迁移学习NLP资源大列表
专知
19+阅读 · 2019年6月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
19篇ICML2019论文摘录选读!
专知
28+阅读 · 2019年4月28日
无监督元学习表示学习
CreateAMind
27+阅读 · 2019年1月4日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员