RISE:通过自外推策略蒸馏实现递归自我改进 RISE: Recursive Improvement via Self-Extrapolating Policy Distillation
外推自身RLVR训练轨迹合成未来教师,把稀疏结果奖励转为密集token级监督
前置知识
RLVR(可验证奖励强化学习)
用客观可校验的结果奖励(如数学答案对错、代码单元测试通过)训练语言模型的强化学习方法。典型算法如GRPO/DAPO:对每个prompt采样一组响应,按组内归一化的结果奖励计算优势 $\hat{A}_t$,再用裁剪代理目标做策略梯度更新。
RISE的整个外推位移就来自RLVR的参数更新 $\theta \to \theta'$,理解RLVR才能理解外推方向为何'指向真实改进'。
在线策略蒸馏(On-policy Distillation, OPD)
让学生模型在自己生成的序列上,逐位置最小化与教师分布的散度,如 $\mathcal{L}_{OPD} = \mathbb{E}_{y\sim\pi_\theta} \sum_t D_{KL}(\pi_\theta(\cdot|x,y_{<t}) \| \pi_T(\cdot|x,y_{<t}))$。相比每条响应一个标量奖励,它给出词表上完整的下一token分布,是密集的逐token监督。
RISE要解决的核心问题就是OPD的教师从哪来,方法本身就是一种改造过的OPD损失。
任务算术与任务向量
模型合并文献中的概念:任务向量 $\tau = \theta_{ft} - \theta_{pre}$ 以近似线性、可组合的方式编码任务知识。相关实证表明后训练轨迹低维且近似线性演化——RLVR更新由秩1子空间主导,投影系数近线性变化。
这是RISE敢于在权重空间做外推($\beta>1$ 延长任务向量)的理论与实证依据。
KL散度与Jensen–Shannon散度
KL散度 $D_{KL}(P\|Q)$ 度量两个分布的差异,但可以无界,reverse KL在教师含零概率区域时会数值爆炸;JSD是对称且有界于 $\log 2$ 的替代品,且 $JSD(P\|Q) \le \frac{1}{2}D_{KL}(P\|Q)$。
RISE的理论分析用reverse KL做精确trust-region分解,但实现换成了数值稳定的JSD,理解两者关系才能读懂损失设计。
几何混合与logit空间线性组合
在logit(对数概率)空间做线性组合等价于概率空间的几何混合:$\pi_{future} \propto \pi_{\theta_n}^{1-\beta} \cdot \pi_{\theta'}^{\beta}$,即放大新旧策略的概率比值。工程上只需缓存top-K token的logit再重归一化,无需物化一个新模型。
这是RISE的logit空间实例化(Eq. 6/8),也是其免额外显存开销的关键设计。
研究动机
按token密集监督的在线策略蒸馏(OPD)本应是LLM后训练的理想信号,但它被一个根本问题卡住:可靠的教师从哪来?现有两条路线各有硬伤。外部教师方案(如从同家族更大模型蒸馏)存在分布不匹配:学生训练中会探索出越来越多样的推理路径,当教师在从未见过的'外星前缀'上被查询时,其给出的分布反映的是教师自己会如何续写,而非学生的推理是否合理,恰恰在最需要指导的新颖难题上教师质量最差。特权条件自蒸馏(OPSD)方案让同一模型在看到正确答案等特权上下文 $C$ 时充当教师 $\pi_T(\cdot|x,C,y_{<t})$,但模型的上下文学习能力(ICL)往往不足以有效利用特权信息,且师生输入不同本身又制造了一种新的分布错位。论文实证显示这类方法的收益有限甚至为负:在Qwen3-8B数学训练上,GRPO+SDPO只有55.9分,反而比纯GRPO的60.0低4.1分。与此同时,RLVR的结果奖励是序列级信号——一条响应里所有token获得相同的优势估计,梯度无法区分哪些推理步骤真正有效。token级门控、散度混合、DAgger式采样、轨迹精修等启发式修补都默认接受一个有缺陷的教师,只治标不治本。
本文的目标是本文的目标是在完全不引入外部模型、不使用特权上下文的前提下,为OPD构造一个高质量且随学生进步而同步进化的教师,从而把RLVR稀疏的结果奖励转化为密集的token级学习目标。具体而言:(1)回答'教师应该是什么'这一被以往工作回避的根本问题;(2)让蒸馏从一次性的压缩步骤变成递归的自我改进机制——教师每轮都从学生最新更新中重新构造,学生越强教师越强;(3)在数学推理、多域STEM、代码生成和多轮智能体任务四大类任务上,跨1.7B到8B多个模型规模,证明该方法稳定超越纯RLVR训练和特权条件自蒸馏基线,同时保持分布外能力不退化,且不增加任何采样成本、墙钟时间开销控制在GRPO的1.3–1.6倍。
与已有工作不同的是,本文的独特切入点是一个视角转换:策略 $\pi_\theta$ 最自然的教师是它自己的'收敛未来自我' $\pi^*$——即训练正在趋向的那个更强的策略。$\pi^*$ 未知,但训练轨迹本身就暴露了收敛方向:近年分析表明后训练参数更新被低秩子空间主导且近似线性演化(三个方向即可捕捉约87%的方差)。因此可以用表示映射 $\varphi$(logit或参数)把新旧checkpoint的位移 $\varphi(\pi_{\theta'}) - \varphi(\pi_\theta)$ 沿训练方向外推,以 $\beta>1$ 合成'未来教师'。这与模型汤(model soups)文献恰好互为镜像:后者利用同样的线性结构做插值($\beta\in[0,1]$)换取鲁棒性,RISE则利用它做外推($\beta>1$)换取能力提升。以往所有OPD变体都在问'如何容忍一个有缺陷的教师',RISE第一次直接回答'教师应该长什么样',并因其非平稳性消除了静态教师的能力天花板。
核心方法
RISE的直觉是:RLVR的参数更新虽然只给每条响应一个标量奖励,但它是被可验证奖励'接地'的真实改进方向;把这一位移放大并投影回token级监督,等于免费获得一个比当前策略更强的教师。每轮迭代 $n$ 交替两个阶段:RLVR阶段从当前策略 $\pi_{\theta_n}$ 采样rollouts,用GRPO依据结果奖励更新得到 $\theta'_{n+1}$;OPD阶段以锚点 $\theta_{anchor}$ 与新checkpoint构造外推教师 $\varphi(\pi_{future}) = \varphi(\pi_{\theta_n}) + \beta_n(\varphi(\pi_{\theta'_{n+1}}) - \varphi(\pi_{\theta_n}))$,$\beta_n$ 从1.2线性衰减到1,再把 $\pi_{future}$ 逐token蒸馏回学生。两个实例化:权重空间用任务算术 $\theta_{future} = \theta_{anchor} + \beta_n(\theta' - \theta_{anchor})$ 后做一次teacher前向;logit空间用几何混合 $\pi_{future} \propto \pi_{\theta_n}^{1-\beta}\cdot\pi_{\theta'}^{\beta}$,只需缓存top-100 logit。OPD复用RLVR同一批rollouts,零额外采样成本;教师每轮随学生刷新,蒸馏因此成为递归改进环,总开销仅为GRPO墙钟时间的1.3–1.6倍。
核心创新在于教师的来源与动力学。以往OPD要么用静态外部教师(存在分布错配且有固定能力天花板),要么用特权条件下的自我(受ICL能力限制,师生输入不一致)。RISE的教师完全由学生自己的RLVR训练轨迹外推而来:无外部模型、无特权上下文,且与ExOPD等结构上相似的奖励外推方法的本质区别是教师非平稳——学生每前进一步,位移向量就更新,外推教师同步前移,静态教师差距 $J(\pi^*)-J(\pi_T)$ 的硬天花板被消除。理论上,Remark 1揭示了logit空间外推的深层结构:蒸馏损失可精确分解为 $D_{KL}(\pi_\theta\|\pi_{future}) = -(\beta-1)D_{KL}(\pi_\theta\|\pi_{\theta_n}) + \beta D_{KL}(\pi_\theta\|\pi_{\theta'}) + \log Z$——负系数的排斥项把策略推离旧锚点(延续改进方向),正系数项把它拉向RLVR后checkpoint(防止OPD过冲),构成一个精确的trust-region,且两项都在token级提供细粒度信用分配,这正是标量结果奖励做不到的。同时RLVR与OPD缺一不可:没有可验证奖励接地,纯自蒸馏外推会在60步内崩溃。
方法步骤详情
以logit空间版(Algorithm 1)为例。第一步,初始化锚点 $\theta_{anchor} \leftarrow \theta_0$,每轮计算衰减调度 $\beta_n = 1 + (\beta_0-1)(1-n/N)$。第二步,RLVR阶段:从 $\pi_{\theta_n}$ 采样rollouts $D$,计算可验证奖励 $R(x_i,y_i)$,用GRPO策略梯度更新得到 $\theta'_{n+1}$。第三步,教师构造:在 $D$ 的每个位置取 $S=\mathrm{TopK}(\pi_{\theta'_{n+1}})$,把新旧策略投影到 $S\cup\{\text{tail}\}$ 的 $K+1$ 维单纯形并重归一化($K=100$,代码任务20),缓存 $\log\pi_{future} = \log\pi_{\theta_{anchor}} + \beta_n(\log\pi_{\theta'_{n+1}} - \log\pi_{\theta_{anchor}})$,此步只需两次前向,之后OPD每个minibatch直接读缓存,无需teacher前向。第四步,OPD阶段:令 $\theta \leftarrow \theta'$,逐minibatch最小化 $\mathcal{L}_{RISE} = \mathbb{E}_y \sum_t \mathrm{JSD}(\pi_\theta(\cdot|s_t)\,\|\,\mathrm{sg}[\pi_{future}(\cdot|s_t)])$,教师全程stop-gradient。第五步,锚点更新 $\theta_{anchor} \leftarrow (1-\eta)\theta_{anchor} + \eta\,\theta_{n+1}$($\eta=1$ 即上一checkpoint,Qwen默认0.1,OLMo默认1)。权重空间变体(Algorithm 2)显式物化 $\theta_{future}$,在每个OPD步做一次teacher前向,在学生top-K索引处评估教师。
技术新颖性
技术新颖性体现在四个层面。(1)教师构造范式:统一在表示映射 $\varphi$ 下给出一个方法族,logit空间(几何混合)与权重空间(任务算术)是其两个实例,并首次系统刻画两者的计算与统计权衡——权重空间外推产生跨位置预测联合一致的连贯模型,代价是物化参数加每步一次teacher前向;logit空间是权重空间的一阶Taylor近似 $f(\theta_n)+\beta\Delta f$,无需参数操作且教师可在OPD开始前一次性固定。(2)理论工具:Remark 1给出几何混合蒸馏损失的精确KL trust-region分解,Proposition 3证明安全外推区间随策略逼近最优而收窄,直接推导出 $\beta$ 衰减调度的必要性,论文还用Fig. 6的checkpoint外推实验实证了这一收窄(step 50时 $\beta=2.0$ 仍+7.3分,step 100时同参数变为−15分)。(3)工程设计:top-K投影加尾桶重归一化避免全词表散度计算与 $O(V)$ 缓存;复用RLVR rollout实现零额外采样(消融显示重采样无收益);用有界的JSD替代reverse KL保证数值稳定且最优解相同。(4)递归性:把OPD从静态压缩重新定义为随学生共同进化的循环过程,这是与所有已有OPD/RL联合训练工作的根本分野。
实验结果
核心发现逐任务分析。数学推理(Table 1):RISE在全部三个配置上均为域内数学平均最优——OLMo3-7B上RISE(logit)把AIME'24从30.2拉到46.9(+16.7),Math Avg 47.6→56.4(+8.8);Qwen3-1.7B Math Avg 45.4→50.2(+4.8);Qwen3-8B RISE(weight) 60.0→62.7(+2.7)。三种子可复现:8B上62.4±0.2 vs GRPO 60.1±0.2,1.7B上49.6±0.4 vs 45.1±0.4。特权条件基线收益有限甚至为负:GRPO+SDPO在8B仅55.9、1.7B仅43.2,均低于纯GRPO。OOD保持:8B的OOD平均70.6→72.0,OLMo 51.2→55.5。多域混合(Table 2,Qwen3-4B-Base):RISE(weight)同时提升Math Avg(44.8 vs 40.2)与STEM Avg(47.5 vs 45.5),AIME'24 +5.0、TheoremQA +3.7。代码生成(Fig. 4):最终精度与GRPO相当(任务饱和),但RISE(logit)在step 50即达GRPO step 90的HumanEval+最终水平。智能体任务(Table 3,Qwen2.5-3B-Instruct):ALFWorld 75.0→84.4(+9.4),WebShop Acc 63.3→74.2(+10.9)。机制分析(Fig. 5/6):去掉RLVR阶段,纯自蒸馏外推60步内崩溃(MATH-500跌至2.4%,响应长度爆炸到8K上限);去掉OPD阶段仅稳定无增益(8B 60.0→60.3);安全外推区间随训练收窄——step 50时 $\beta=2.0$ 尚+7.3分,step 100同参数−15分,step 200时 $\beta=1.5$ 已−7.7分。pass@16证据:1.7B上AIME'24 pass@16 +9.6大于avg@16的+6.3,说明外推教师扩大了可解问题集合。计算匹配对照:GRPO-2×仅+1.9(1.7B)/+0.5(8B),RISE在同等梯度预算下+4.8/+2.7,增益来自监督质量而非额外优化步。
查看结构化数据
| 任务 | 指标 | 本文 | 基线 | 提升 |
|---|---|---|---|---|
| 数学推理(OLMo3-7B,OpenR1-Math训练) | AIME'24 准确率(%) | 46.9(RISE logit) | 30.2(GRPO) | +16.7 |
| 数学推理(OLMo3-7B) | 域内Math Avg(%) | 56.4(RISE logit) | 47.6(GRPO) | +8.8 |
| 数学推理(Qwen3-1.7B,DAPOMath) | 域内Math Avg(%) | 50.2(RISE logit) | 45.4(GRPO) | +4.8 |
| 数学推理(Qwen3-8B,DAPOMath) | 域内Math Avg(%) | 62.7(RISE weight) | 60.0(GRPO) | +2.7 |
| 多域数学+STEM(Qwen3-4B-Base) | Math Avg(%) | 44.8(RISE weight) | 40.2(GRPO) | +4.6 |
| 多域数学+STEM(Qwen3-4B-Base) | STEM Avg(%) | 47.5(RISE weight) | 45.5(GRPO) | +2.0 |
| 多轮智能体(Qwen2.5-3B-Instruct) | ALFWorld 成功率(%) | 84.4(RISE weight) | 75.0(GRPO) | +9.4 |
| 多轮智能体(Qwen2.5-3B-Instruct) | WebShop Acc(%) | 74.2(RISE weight) | 63.3(GRPO) | +10.9 |
| 代码生成(Qwen3-8B-Base) | HumanEval+ 收敛步数 | step 50 达到最终精度(RISE logit) | step 90(GRPO) | 约1.8倍加速 |
局限与改进
作者在结论中明确承认三点局限:其一,RISE依赖训练轨迹足够低维,线性外推才能在适度 $\beta$ 下保持有意义——论文自己测得三个方向仅捕捉约87%方差,剩余13%的非线性偏离会随递归累积;其二,$\beta$ 衰减调度和EMA锚点只是经验性稳健手段,如何原则性地检测外推何时变得不可靠仍是开放问题;其三,RISE完全继承RLVR奖励信号的偏差——如果奖励可被hack,外推机制会主动放大这条虚假方向,这比普通RLVR更危险。我自己的观察补充几点:方法要求任务具备可验证奖励来'接地'位移方向,对写作、对话等开放域任务如何定义可靠的改进方向尚不清楚;安全 $\beta$ 区间随训练收窄且不同模型敏感度不同(Table 4显示 $\beta_0=2.0$ 直接发散,各种衰减调度差异不大),说明当前依赖手工调度而缺乏自适应机制;权重空间与logit空间两个变体没有一致优势(1.7B和OLMo上logit更好,8B上weight更好),实践者需要两套都试;锚点率 $\eta$ 需按模型调参(Qwen上 $\eta=0.1$ 比1.0好约4分,OLMo上反而 $\eta=1.0$ 更好),其背后的动力学差异(GRPO在OLMo上产生更大更稳的步长)只是猜测性解释;此外与更强外部教师蒸馏的直接对比因'ExOPD需要外部模型'而被排除,合成教师距离真实强教师的天花板还有多远无法量化。
独立分析的弱点
独立分析下来有五个值得注意的弱点。(1)$\beta$ 调度是手工设计的开环控制:Table 4显示linear/cosine/exp衰减都在62上下、fixed $\beta$ 略差,而 $\beta_0=2.0$ 发散——说明系统工作在稳定性边缘却没有任何反馈机制。改进方向:利用Fig. 6式的checkpoint探针,每轮在小验证集上实测安全区间,在线自适应地设定 $\beta_n$,把开环调度变成闭环控制。(2)线性外推假设在训练后期必然失效:Proposition 3只给出单步suboptimality界,多次递归外推的误差累积没有理论保证。改进方向:引入曲率感知修正(如沿主子空间的二阶项),或在每轮蒸馏前先评估外推教师自身生成质量,不合格则退回 $\beta=1$。(3)奖励hack被放大:外推本质是位移放大器,RLVR步的噪声与虚假方向同样被 $\beta$ 倍增。改进方向:作者自己提出用奖励模型不确定性或多目标奖励来'限定'外推方向,也可对位移向量做置信加权。(4)两空间变体无一致优势且缺乏选择准则:8B上weight好、1.7B/OLMo上logit好,论文只给出'Taylor近似 vs 联合一致性'的定性解释。改进方向:建立与模型规模、输出分布尖锐度关联的理论判据,或直接自适应混合两种外推。(5)规模验证止步于8B:权重空间外推需要在显存中物化完整 $\theta_{future}$,在70B级模型上的可行性与数值稳定性完全未验证,logit空间的EMA锚点在大模型上的行为也未知。
未来方向
作者在结论与局限部分指出的方向:把外推原理延伸到偏好优化(如DPO类目标)和多智能体设置等其他后训练范式;整合奖励模型不确定性或多目标奖励,对被外推放大的方向进行置信限定,防止奖励hack被放大。基于论文成果还可延伸出几条路:第一,自适应 $\beta$——Fig. 6已经给出'用历史checkpoint直接探测安全区间'的可行性,完全可以在线化形成每轮的 $\beta$ 控制器,同时解决手工调度和后期失效两个问题;第二,把RISE与模型合并/模型汤文献打通——外推产生的 $\theta_{future}$ 本身就是可组合的任务向量,跨任务、跨数据配比的外推与合并值得系统研究;第三,在RLHF场景用偏好信号替代可验证奖励构造位移,检验该方法对不可验证任务的适用边界,论文的pass@16证据(1.7B上+9.6)暗示其尤其有利于探索,这对奖励稀疏的长程agentic任务是天然契合点(Table 3的+10.9已初步支持);第四,理论补全:目前Proposition 3是单步界,需要给出'RLVR接地+OPD投影'递归循环的收敛性证明;第五,与外部教师蒸馏的正交组合——RISE消除的是对外部教师的'依赖'而非'禁用',外推教师与真实强教师的混合(如按token不确定性加权)可能进一步抬高天花板。
复现评估
复现评估:论文是Salesforce AI Research的预印本(arXiv:2609.05295),正文未提及开源代码。但复现条件相当齐备:模型全部公开(Qwen3-1.7B/4B/8B及Base、OLMo3-7B-Instruct-SFT、Qwen2.5-3B-Instruct),数据集全部公开(DAPOMath、OpenR1-Math-46K、Guru的STEM部分、Skywork-OR1-Code、ALFWorld、WebShop),基准均为标准集(MATH500、AIME'24/25、AMC23、GPQA-Diamond等),Algorithm 1/2伪代码完整,超参明确($\beta_0=1.2$ 线性衰减、$K=100$/代码20、$\eta=0.1$/1.0、JSD损失),且报告了三种子方差与完整消融矩阵。算力门槛是主要障碍:1.7B–8B全参数RLVR+OPD训练需多卡A100/H100级集群,RISE只增加1.3–1.6倍墙钟时间和每位置 $O(K)$ 的logit缓存(logit空间)或一份参数副本加一次teacher前向(权重空间)。综合判断:若代码开源,复现难度中等,建议从logit空间变体入手(无需物化教师、工程最轻),以1.7B/DAPOMath作为最小验证配置,先对齐GRPO基线再叠加OPD阶段。
论文图表
Qwen3-8B-Base在代码生成上的训练曲线: 是HumanEval+, 是MBPP+(均avg@4)。两个RISE变体早期收敛显著快于GRPO,最终精度与GRPO基本持平——RISE(logit)在step 50就达到GRPO在step 90的最终HumanEval+水平。
验证外推原理可迁移到数学推理之外;最终持平也诚实地展示了方法在已饱和任务上的边界,是评估适用范围的重要证据。