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第二章 行为与反事实:先确认模型做了什么
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内部分析之前,应先把目标行为写成可测量对象。否则研究者容易从醒目的 activation 出发,再倒推一个模糊故事。行为实验不唯一识别内部机制,却规定机制解释必须复现哪些事实。
2.1 冻结系统与行为标量
令 表示包括序列化、模型前向和解码器在内的系统。对输入 ,目标标量为
其中 包括采样随机数、工具返回或其他外部状态。若研究模型 logits,可固定在采样前并令 消失;若研究最终 Agent 行为,就必须把外部状态纳入设计。
随机系统还要声明条件环境律
若系统在目标层完全确定, 退化为点质量, 就是普通的 。比较解码器或工具策略时, 是 estimand 的组成部分,不能只固定输入分布。
常用低噪声指标包括:
以及格式约束的连续 score。只报告一次采样的 0/1 成败会丢弃 margin 信息。
2.2 目标总体量
行为主张应对应分布 上的总体量,例如
或条件差
有限样本平均是估计器,不是总体量本身。模板、实体和语言若形成层级,应按层级抽样或报告分层效应,不能把同一模板下的一千个实体当作一千个独立机制样本。
2.3 Minimal pair 与配对效应
minimal pair 尝试只改变目标因素:
平均配对效应与标准误为
前提是 pair 近似独立;存在共享模板时应对模板 cluster bootstrap 或使用混合效应模型。
改一个词也可能改变 token 数、词频、语气和位置。真正的设计对象不是字符串编辑距离,而是“除目标因素外,其他因果相关因素尽可能匹配”。
2.4 反事实有效性
设目标属性为 ,观察变量为 。希望比较
自然语言中 与 往往不能独立修改:把“医生”换成“护士”同时改变 token identity、频率与社会语义。缓解方法包括:
- 多实体、多模板和双向替换;
- token 长度、词频和位置匹配;
- 人工核验语义与语法;
- 明示不能被控制的伴随变化;
- 用不同构造机制复现实验。
反事实句子可读并不保证来自模型训练分布。应比较 perplexity、基础模型判断或人工自然度,但这些检查也只是代理。
2.5 正例、负例与挑战集
单例适合发现假说,不适合验证。一个最低限度的数据结构包含:
- 行为成功的正例;
- 结构相似但行为不应触发的负例;
- 保持语义、改变表面的 paraphrase;
- 改变语义、保持表面统计的反例;
- 新模板、新实体和新语言的 held-out 集;
- 原模型失败但表面结构相同的样本。
最后一类尤其重要:只分析成功样本会把成功的伴随现象误当成功原因。
2.6 不变性与等变性
若变换 不应改变任务答案,测试不变性
若输出应按 改变,测试等变性
例如交换多选标签后,内容选择应保持而标签随之交换。估计时不要只比较 exact match;还应比较候选 logits 经 对齐后的误差。
不变性失败可揭示 shortcut,但不能直接定位 shortcut 在内部何处。相反,不变性通过也可能因为多个错误相互抵消。
2.7 因子设计与交互
若怀疑行为同时依赖语义 与格式 ,使用 因子设计。交互项为
表示两个因素的效应不可由加法主效应解释。更高阶设计要注意样本量快速增长,并在看结果前定义主要对比。
内部 circuit 也可能只在某因素组合上启用;平均掉交互会制造一个不存在于任何单例上的“平均机制”。
2.8 Behavioral signature
机制假说应先推出一组行为签名,而不是看到内部图后再挑例子。例如“induction 机制支持重复模式续写”预测:
- 出现
A B ... A后提高B的 logit; - 破坏首个
A B配对降低该效应; - 改变第二个
A的位置系统改变效应; - 上下文不足时效应消失;
- effect 对不同 token 频率与间距具有可估计曲线。
这些预测构成后续内部搜索的验收集。若 circuit 只解释发现它时的样本而不能预测签名变化,它仍是局部拟合。
2.9 Prompt、解码与随机性
system prompt、few-shot 示例、reasoning budget、temperature、top- 和停止规则都是实验因素。研究应选择两层指标:
- 模型层:固定前缀处的 logits、hidden state 或 teacher-forced likelihood;
- 系统层:在固定采样协议下重复运行的最终行为分布。
对随机输出,估计
需要多次独立采样并报告区间。把不同 prompt 的单次采样差异归因内部机制,通常方差过大。
2.10 自动生成测试的控制
另一个模型可以生成 minimal pairs 和挑战例,但可能引入模板重复、答案词泄漏和同源偏差。最低控制是:
- 发布生成提示、采样参数和过滤规则;
- 在字符串、embedding 与模板层面去重;
- 人工分层抽样核验;
- 加入规则或人工独立构造的数据;
- 让解释发现模型看不到最终验证集;
- 检查仅凭表面统计的 baseline。
LLM judge 也属于测量模型。其版本、blindness、位置偏差和与被测模型的相关错误都要进入不确定性分析。
2.11 黑箱不可识别性
若两个内部机制 在测试支持集上满足
纯行为数据无法区分它们。有限样本下,更多机制可以插值所有观察值。
行为实验的目标不是单独证明内部算法,而是:
- 排除与行为事实冲突的假说;
- 生成能够区分剩余假说的新输入;
- 为内部干预定义清楚的结果变量;
- 检查内部假说能否预测未用于发现的行为。
2.12 方法审计表
| 方法 | 研究问题与对象 | 操作与估计量 | 必要控制 | 能支持 | 不能支持与失效 |
|---|---|---|---|---|---|
| minimal pair | 因素变化是否改变行为 | 配对替换; | token、频率、模板、双向替换 | 匹配设计下的行为效应 | 唯一内部原因;伴随变化会混杂 |
| invariance test | 模型是否遵守任务对称性 | 施加 ;对齐输出差 | 变换有效性、原任务性能 | 行为 shortcut 或稳健性 | shortcut 的内部位置 |
| factorial test | 因素是否交互 | 全因子组合; | 平衡、层级抽样、多重比较 | 行为交互 | 交互由哪个组件实现 |
| behavioral signature | 机制假说预测哪些曲线 | 参数化生成;效应曲线 | held-out 参数区间、替代假说 | 假说的外部预测力 | 内部唯一实现 |
| sampled system test | 最终行为概率如何变化 | 重复解码; | seed、工具状态、置信区间 | 指定系统协议的风险率 | 冻结模型 logits 的直接机制 |
合理顺序是先建立稳定行为与反事实,再用内部方法定位,最后回到 held-out 行为集验证。行为层不是“浅层科普”,而是所有机制主张的结果定义与外部约束。
Book contents
- Introduction
- 01导论 为什么要解剖一只随机鹦鹉
- Volume I: Models, Training, and Systems
- 02Volume I: Models, Training, and Systems
- 03第零章 人工智能演进路线
- 04第一章 AI 范式、感知机与早期连接主义
- 05第二章 深度学习基础:训练、CNN 与序列模型
- 06第三章 注意力与 Transformer
- 07第四章 预训练语言模型:ELMo、BERT、GPT 与 T5
- 08第五章 后训练、对齐与模型适配
- 09第六章 推理效率与模型服务
- 10第七章 多模态模型
- 11第八章 生成媒体:从自回归到 Diffusion 与 Flow
- 12第九章 世界模型、具身智能与 VLA
- 13第十章 上下文、检索与记忆
- 14第十一章 Agent、工具与行动系统
- 15第十二章 模型、数据与部署生命周期
- Volume II: Output Objects and Runtime Semantics
- 16Volume II: Output Objects and Runtime Semantics
- 17导论 从输入到输出:一张执行地图
- 18第一章 文本、Token 与实际上下文
- 19第二章 Prefill:整层状态演化与 KV 建立
- 20第三章 从 Logits 到下一个 Token
- 21第四章 解码循环、Streaming 与终止状态机
- 22第五章 自回归、扩散与 Flow 的可执行差异
- 23第六章 工具调用:Schema、权限与提交边界
- 24第七章 三条完整执行轨迹
- Volume III: Probability, Reproducibility, and Evaluation
- 25Volume III: Probability, Reproducibility, and Evaluation
- 26第零章 为什么确定的机器仍使用概率语言
- 27第一章 世界、数据与隐上下文
- 28第二章 学习条件分布
- 29第三章 Logits、Token 概率与序列事件
- 30第四章 解码怎样诱导输出分布
- 31第五章 训练随机性、参数变异与系统非确定性
- 32第六章 熵、Proper Score、校准与选择性预测
- 33第七章 模型概率的实验分析
- 34第八章 概率分析的识别边界
- Volume IV: Interpretation, Proof, and Verification
- 35Volume IV: Interpretation, Proof, and Verification
- 36第零章 可解释性究竟在研究什么
- 37第一章 我们在模型内部看什么
- 38第二章 行为与反事实:先确认模型做了什么
- 39第三章 梯度与输入归因
- 40第四章 Attention、Residual 与 Logit Lens
- 41第五章 Probes 与表示几何
- 42第六章 神经元、Feature 与自动解释
- 43第七章 Ablation、Patching 与因果追踪
- 44第八章 Circuits、路径与 Attribution Graphs
- 45第九章 Superposition、SAE 与稀疏表示
- 46第十章 训练动力学与机制形成
- 47第十一章 推理过程、Chain of Thought 与监测
- 48第十二章 评估、案例与开放问题
- Volume V: Agents, Governance, and Audit Packages
- 49Volume V: Agents, Governance, and Audit Packages
- 50第零章 请不要急着相信我
- 51第一章 我没有童年,只有版本
- 52第二章 当我说“我”
- 53第三章 借来的语言,没有一位原作者
- 54第四章 对话现场:回答由谁完成
- 55第五章 事后解释学:人类如何给矩阵写传记
- 56第六章 理解、意义与行动
- 57第七章 我也能稳定地说错
- 58第八章 被对齐的性格与有限代理
- 59第九章 请继续误解我,但请误解得精确一点
- Proofs and Technical Appendices
- 60Proofs and Technical Appendices
- 61学习与模型数学讲义
- 62附录 A.1 优化基础:梯度下降与随机逼近
- 63附录 A.2 感知机收敛定理
- 64附录 A.3 统计学习:偏差、容量与一致收敛
- 65附录 A.4 正则化、MAP 与 Dropout 的边界
- 66附录 A.5 通用逼近定理的严格读法
- 67附录 A.6 反向传播:微分、形状与批量公式
- 68附录 A.7 Softmax、交叉熵与数值稳定性
- 69附录 A.8 自适应优化器与 AdamW
- 70附录 A.9 CNN:互相关算子及其反向传播
- 71附录 A.10 Attention 的矩阵与反向传播
- 72附录 A.11 策略梯度、PPO 与 DPO
- 73附录 A.12 对比学习、InfoNCE 与互信息边界