Transformers trained via Reinforcement Learning (RL) with outcome-based supervision can spontaneously develop the ability to generate intermediate reasoning steps (Chain-of-Thought). Yet the mechanism by which sparse rewards drive policy gradient to discover such systematic reasoning remains poorly understood. We address this by analyzing the policy gradient dynamics of single-layer linear Transformers on a synthetic graph traversal task that cannot be solved without Chain-of-Thought but admits a simple iterative solution. We prove that despite training solely on final-answer correctness, policy gradient drives the Transformer to converge to a structured, interpretable algorithm that iteratively traverses the graph vertex-by-vertex. We characterize the distributional properties required for this emergence, identifying the critical role of "simple examples": instances requiring fewer reasoning steps. When the training distribution places sufficient mass on these simpler examples, the Transformer learns a generalizable traversal strategy that extrapolates to longer chains; when this mass vanishes, policy gradient learning becomes infeasible. We corroborate our theoretical results through experiments on synthetic data and with real-world language models on mathematical reasoning tasks, validating that our theoretical findings carry over to practical settings.


翻译:暂无翻译

0
下载
关闭预览

相关内容

【MIT博士论文】数据高效强化学习,176页pdf
专知会员服务
90+阅读 · 2022年7月11日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
61+阅读 · 2019年10月17日
【MIT博士论文】数据高效强化学习,176页pdf
从头开始了解Transformer
AI科技评论
25+阅读 · 2019年8月28日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015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 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
《美空军2026条令文件:对海压制作战》
专知会员服务
18+阅读 · 11月9日
人工智能与战争的未来
专知会员服务
7+阅读 · 11月8日
《Agent Mosaic:识别智能体LLM系统中的机密泄露》
人工智能在军事教育中的应用:若干视角与经验
专知会员服务
10+阅读 · 11月6日
“星链”减速与不断适应的乌克兰
专知会员服务
8+阅读 · 11月6日
美国中期选举之后:帕兰提尔面临不确定性?
专知会员服务
5+阅读 · 11月6日
相关VIP内容
【MIT博士论文】数据高效强化学习,176页pdf
专知会员服务
90+阅读 · 2022年7月11日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
61+阅读 · 2019年10月17日
相关资讯
【MIT博士论文】数据高效强化学习,176页pdf
从头开始了解Transformer
AI科技评论
25+阅读 · 2019年8月28日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015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 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员