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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

Yang Li, Semih Yavuz, Shafiq Joty 📅 2026-09-04 👍 18 2026-11-03 18:30
LLM后训练 RLVR 强化学习 策略蒸馏 自我改进

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。

RISE overview. (a) Extrapolation geometry. (b) The RISE training loop.
Figure 1: RISE overview. (a) Extrapolation geometry. (b) The RISE training loop.
Gain on AIME'24 (avg@16) from extrapolating Qwen3-1.7B GRPO checkpoints at varying β, relative to β=1. Shaded: RISE's operating range (β0=1.2, decaying to 1).
Figure 6: Gain on AIME'24 (avg@16) from extrapolating Qwen3-1.7B GRPO checkpoints at varying β, relative to β=1. Shaded: RISE's operating range (β0=1.2, decaying to 1).
Anchor ablation on Qwen3-1.7B. Lower η improves Math Avg.
Figure 7: Anchor ablation on Qwen3-1.7B. Lower η improves Math Avg.

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。

Mathematical reasoning results. Accuracy (%) across model configurations. Best in bold, second best underlined.
Table 1: Mathematical reasoning results. Accuracy (%) across model configurations. Best in bold, second best underlined.
Multi-domain results (Qwen3-4B-Base, mixed math + STEM training). Accuracy (%) on math reasoning and STEM benchmarks.
Table 2: Multi-domain results (Qwen3-4B-Base, mixed math + STEM training). Accuracy (%) on math reasoning and STEM benchmarks.
Success rate on ALFWorld, Score/Acc on WebShop.
Table 3: Success rate on ALFWorld, Score/Acc on WebShop.
β0 and schedule ablation (Qwen3-8B, Math Avg %).
Table 4: β0 and schedule ablation (Qwen3-8B, Math Avg %).
RISE reaches higher accuracy in fewer steps across three model scales, demonstrating improved sample efficiency.
Figure 2: RISE reaches higher accuracy in fewer steps across three model scales, demonstrating improved sample efficiency.
RISE reaches higher accuracy on both math and STEM benchmarks.
Figure 3: RISE reaches higher accuracy on both math and STEM benchmarks.
Removing either phase hurts. (a) Without RLVR, accuracy collapses (solid) as generation length explodes (dotted). (b, c) Without OPD, training is stable but gains vanish.
Figure 5: Removing either phase hurts. (a) Without RLVR, accuracy collapses (solid) as generation length explodes (dotted). (b, c) Without OPD, training is stable but gains vanish.
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。

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