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指令容量:受控指令负载下语言模型的行为规律与退化 Instruction Capacity: Behavior and Degradation of Language Models under Controlled Load

Hennadii Kutomanov 📅 2026-10-26 👍 4 2026-11-11 18:30
GLMM 指令跟随 模型容量 模型评测 统计建模 计量学

用单词替换规则作原子指令,测得GPT-4o mini在95%正确率下约可同时执行37条指令

前置知识

指令跟随与可验证指令(IFEval 谱系)

指令跟随指模型按提示中的要求生成回答的能力。Zhou 等人 2023 年提出可验证指令:像“写 400 词以上”“提到 AI 至少三次”这类可由程序判定的要求,构成 IFEval 基准(25 类指令、约 500 条提示)。后续 FollowBench、IFScale、Multi-IF 等不断叠加约束数量与对话轮数,研究执行质量如何随负载下降。

本文的问题意识正来自这条研究脉络的缺陷——指令数量与任务难度混在一起,无法换算成一个可比较的容量数字;读懂动机与相关工作部分必须先了解它。

伯努利试验

一次只有两种结果的随机试验:成功记 1(概率 $\pi$),失败记 0(概率 $1-\pi$)。大量重复后用频率估计 $\pi$。本文把文本中每一处待替换词的执行结果视为一次伯努利试验:该位置写出了规则要求的替换词即成功。

整套统计模型建立在“每次替换=一次伯努利试验”之上,且每次试验的位置与规则号已知;GPT-4o mini 测量的 642 430 次试验正是这些试验,是全部参数估计的数据基础。

Logit 与逻辑斯蒂回归

logit 是成功概率的对数几率 $\eta=\ln\frac{\pi}{1-\pi}$,把 $(0,1)$ 区间的概率映射到整个实数轴,使各因素的贡献可以相加;logit 每变化 $\Delta$,正确率的优势比(odds)就乘以 $e^{\Delta}$。逻辑斯蒂回归即在 logit 尺度上对协变量做线性建模。

本文所有退化定律都以 logit 为单位计量负载的代价(如规则数每翻倍损失 0.43 logits),容量也是从 logit 储备中反解出来的;不熟悉 logit 就无法理解任何一条定律。

广义线性混合模型(GLMM)

在广义线性模型(如逻辑斯蒂回归)上加入随机效应:本文中同一请求的所有试验共享一个服从 $N(0,\sigma^2)$ 的随机偏移 $b_j$,代表该任务材料的难度;不对每个 $b_j$ 单独估计,而是对边际似然求最大来估计固定系数与方差。

请求之间的任务难度差异必须与负载效应分离,否则容量估计有偏;实测的 $\sigma^2=5.90$ 还把 0.95 质量等级的阈值从 2.94 推高到 4.97 logits,直接影响容量数值。

分箱(binned)回归与参考水平问题

不预设函数形式,把每条负载轴的取值切成对数等宽的区间(每箱=数值翻一倍),每箱各配一个自由系数,由数据估计出“剖面”。传统写法要设自由项 $\alpha$ 并把某箱系数固定为零(参考箱),但水平会随参考箱的选取而变,不是数据决定的量。

本文定律的形状(双曲线、指数饱和、对数直线、幂律)都是先由分箱无假设地测出、再拟合光滑定律的,这套“先自由后参数化”的流程是全文方法论的核心,也是理解第 4 章的前提。

逆回归、有效剂量与 Delta 方法

逆回归是回归的反问题:由响应-暴露关系反解“响应达到给定值时的暴露”,药理学中的有效剂量 ED 即此类量。Delta 方法用线性化 $\mathrm{Cov}\,g(\hat\theta)\approx\nabla g\,\Sigma\,\nabla g^{\mathsf T}$ 传播不确定度,可为隐式定义的量给出置信区间。

指令容量 IEC 正是从拟合模型反解的“有效剂量”(累积代价恰好耗尽储备时的规则数),其 ±95% 区间完全由 Delta 方法算出;这是理解第 4.5 节和护照数字的关键。

研究动机

模型同时执行的指令越多、输入与输出越长,执行质量越差——这在 IFEval 之后的研究中被反复证实,但始终没有一个以负载为单位、带不确定度、可在模型间比较的“极限”数字。根源在于负载的设定方式。第一,几乎所有形式类指令都作用在同一段有意义的文本上,指令彼此耦合:“每行不超过 79 字符”这条代码风格规则单独执行时成功率达 97% 和 99%(Claude 3.5 Sonnet 与 Gemini 1.5 Pro),与其他 5 条规则合在一起骤降到 2% 和 20%,无法区分这份下降中多少是模型极限、多少是任务本身变难。第二,实质约束要靠裁判模型评分,其误差与被测效应同量级:Harada 等用判官模型得到 10 条指令全履行率 0.657,程序核查只有 0.213,虚高三倍;SEQUOR 的判官把 11.5% 的正确答案误判为错误,与 50 轮对话中 11% 的真实退化幅度相当。第三,结果只是若干测试点上的份额:IFScale 中最强模型在 500 条指令下仍未崩溃(最好成绩 68%),RULER/NoLiMa 的“有效长度”只能在倍增的测试长度里挑选,精度不过 2 倍且没有区间。

本文的目标是本文的目标是把“指令负载”变成可计量的量。具体而言:构造一种原子指令——在无意义文本中把某个单词的所有出现替换为另一个词——使每条规则互不耦合、每次应用有唯一正确结果且由程序判定;以规则条数为负载单位,测量正确替换概率随五条负载轴(文本长度、词位置、替换密度、规则条数、规则序号)下降的规律;再从规律中反解出指令容量——模型在给定正确份额下能同时持有的规则数——连同其不确定度。最终交付 GPT-4o mini 的“护照”:每条负载定律的参数、答案崩溃的速率与位置定律、以及 0.95 和 0.5 两个质量等级下的指令容量(IEC)、疲劳容量(FEC)与保底指令容量(IGC),且护照上每个数字都能从公开数据重算。

与已有工作不同的是,作者的独特切入是把认知心理学的计量传统(Miller 的“7±2”、Cowan 的约 4 个组块)移植到指令跟随上,坚持负载必须由实验者设定、指令本身不得成为混淆变量。为此它反其道而行:不沿用“在有意义文本上叠约束”的思路,而是把语义彻底抽掉——词表全是单 token 单音节名词,文本无意义,规则只是机械映射,执行不依赖理解、知识或推理,错误只能归因于模型同时持有独立对应关系的能力上限。统计上则借用药物剂量-反应框架:先用对数分箱无假设地测出每条轴的剖面形状,再用最小距离估计拟合光滑定律,并提出“近似平移校正”,把传统编码中依赖参考箱选择的自由水平,还原为与编码无关的参考水平 $\alpha_{\mathrm{phys}}$。由此容量成为连续、带区间的可比参数,而非从倍增测试点中挑出的粗粒度“有效长度”。

核心方法

直觉上,这篇文章想让“模型能同时记住并执行多少条指令”变成像体温一样可测的量。仪器分三步:任务生成、模型调用、答案校验。任务是一段由词表单词组成的无意义文本(每行 10 词)加一张替换规则表(如 lake -> stone),模型须输出应用全部规则后的文本;正确答案由程序一步算出,逐行比对后,每个待替换词的出现都成为一次伯努利试验,其在答案中的位置与所属规则号同时被记录。统计模型名为 VS-PMR:在 logit 尺度上,文本长度 $v$ 与词位置 $s$ 合并为二维网格 VS,另加替换密度 $p$、规则数 $m$、规则号 $r$ 三个分箱贡献,再给每个请求加一个 $N(0,\sigma^2)$ 的随机难度偏移(GLMM)。每条轴的贡献先用对数分箱自由估计剖面,再拟合光滑定律(双曲线、指数饱和、对数直线、幂律),经平移校正后各定律在最轻负载处的渐近水平之和构成参考水平 $\alpha_{\mathrm{phys}}$;容量即“逐条规则的代价累积耗尽水平储备”这一逆问题的解,按分箱与光滑定律两条途径各算一遍互为校验。

核心创新有三层。第一是任务的构造性独立:替换词集合与被替换词集合不相交、替换词不出现在原文、规则不构成链(lake->stone、stone->fish 之类不可能存在),因此任何一条规则的执行都不改变其他规则的要求,负载加到几百条也不改变任务性质——这与其他方法“指令共享同一段文本”有本质区别,负载的增长不再与任务难度的增长混淆。第二是观测粒度:每个词的出现都是带坐标的伯努利试验(答案内位置 $s$、规则号 $r$ 已知),退化可以被定位到答案中的具体位置,而不是整段平均;行级比对把局部失败限制在一行内,无法匹配的位置一律记 0,模型分数不可能被高估。第三是统计模型没有依赖编码的自由水平:分箱拟合只决定各轴剖面的形状,水平由光滑定律在最轻负载处渐近值(平移量)之和恢复,与参考箱的选择无关。在此之上,“指令容量”被定义为逆问题 $\pi(m;x_0)=q$ 的解,连续且带 Delta 方法不确定度——类比药理学的有效剂量,而不是像 RULER 那样在倍增长度里挑一个没有区间的档位。

方法步骤详情

第一步,构建词表:从 CMU 发音词典 123 455 词出发,依次过滤小写拉丁字母、≥3 字母、单音节(14 884)、WordNet 名词(5 750)、单数原形(3 581),最后要求在 o200k_base、cl100k_base、Qwen2.5 三个分词器下均为单 token,得 2 220 词。第二步,生成任务:由六个数完全决定——规则数 $m$、不同词数 $D$、每词重复次数 $n$ 与三个随机种子(规则种子选 $2m$ 个词按序配对、文本种子选背景词并洗牌、顺序种子打乱规则行序),约束 $1\le m\le D$、$D+m\le 2220$,每词恰出现 $n$ 次、每行 10 词,任务可逐字节重现。第三步,调用模型:温度 0、seed=20260907、top_p=1、max_tokens=16384,固定提示模板。第四步,校验答案:程序算出参考答案并逐行比对,剔除前后多余行;偏差分三类失败——一类(替换错误、结构完好)、二类(行内局部错乱后恢复)、三类(结构丢失或截断),无法匹配的位置记 0,分数不会被高估。第五步,统计建模:以 VS 网格+P+M+R 分箱 logit 加请求随机偏移(GLMM)拟合全部 642 430 次试验,再以协方差逆矩阵为权重的最小距离估计拟合光滑定律,Delta 方法传播不确定度。第六步,计算容量:第 $r$ 条规则的价格 $a(r)=-\Delta M(r)-\tilde R(r)$,累积价格 $C(m)$ 耗尽储备 $\Delta_q=\alpha_{\mathrm{phys}}-\eta^*(q,\sigma^2)$ 处的 $m$ 即容量 $\mathrm{IEC}_q$。

技术新颖性

技术新颖性集中在度量学而非模型本身。其一,论文明确提出九条计量准则(原子性、独立性、同质性、可计算核查、无外生因素、按位置分辨、量程、精密度、防背诵),并据此系统批评五类已有方法(Table 1),本文仪器是唯一同时满足全部九条且负载恰为“指令数量”的方案。其二,VS 二维网格来自实证发现:文本长度与词位置的贡献不可加——答案开头处长度翻倍损失 1.4–1.8 logits,答案深处趋近于零——故必须合并建模,再用“双曲线=两渐近线最小值的平滑化”给出解析形式,这种交互结构在已有指令负载研究中未见。其三,把“规则数”与“规则号”拆成两条独立轴(靠顺序种子随机置换规则行序实现),首次分离了“规则表更长”与“规则排得靠后”两种代价,而 IFScale、Harada 等的工作中这两者总是同步增长。其四,答案崩溃(三类失败)被单独建模为请求级的伯努利事件,得出与指令容量无关的另一组定律,揭示了“执行指令”与“保持文本位置”是两种不同的模型极限。

实验结果

对 GPT-4o mini 的测量(1890 个实验点、2958 次请求、642 430 次试验)产出五条定律。①长度×位置呈双曲线:所有长度切片共享斜渐近线 $\kappa_S=-2.67\pm0.31$ logits/位置翻倍,平台在 $v^*\approx274$ 词转折后按 $\kappa_V=-1.60\pm0.43$/翻倍下降(41–320 词约 14 → 5121–10240 词 6.5),二者是相互作用的两个限制而非独立损失之和。②替换密度呈指数饱和:$A_P=12.07\pm2.63$、$p_c=0.67\pm0.27$,密度 1/16 时仅约 1 logit,满密度达 9.35±1.01。③规则数对数线性:每翻倍损失 0.43±0.10 logits。④规则号幂律加速:前 8 条几乎免费,65–128 号损失 1.05±0.12,每翻倍恶化约 1.7 倍。⑤崩溃独立成律:33.6%(995/2958)的请求丢失文本,几率按 $(v/20)^{3.5}$ 增长、密度超 1/16 后陡增,且固定长度与密度下与规则数无关;崩溃位置由词数(拐点约 40 词)与已过文本份额决定而非总长。最终护照:$\alpha_{\mathrm{phys}}=18.81\pm1.44$、$\sigma^2=5.90\pm0.71$;零点处 $\mathrm{IEC}_{0.95}=36.6$–$38.1$ 条、$\mathrm{IEC}_{0.5}=43.9$–$46.1$ 条;满密度 $\mathrm{IGC}_{0.95}\approx18$–$19$ 条、$\mathrm{IGC}_{0.5}\approx30$ 条;$\mathrm{FEC}_{0.95}=3277\pm571$ 词。到第 37 条规则时约 2.2 logits 花在表长、约 11 花在规则号。

Approaches to measuring model behavior under load by the criteria of Section 2.2.
Table 1: Approaches to measuring model behavior under load by the criteria of Section 2.2.
Coefficients of the laws of the VS-PMR model for GPT-4o mini after the shift correction.
Table 4: Coefficients of the laws of the VS-PMR model for GPT-4o mini after the shift correction.
Estimate of the volume of a measurement by the limit of the answer length of the model, without the restriction of the vocabulary.
Table 7: Estimate of the volume of a measurement by the limit of the answer length of the model, without the restriction of the vocabulary.
Estimate of the cost and time of a measurement by the formulas of this subsection.
Table 8: Estimate of the cost and time of a measurement by the formulas of this subsection.
Coefficients of the cells of the length and position grid by text length slice before the shift correction.
Figure 1: Coefficients of the cells of the length and position grid by text length slice before the shift correction.
Plateau levels of the slices μv before the shift correction and the hyperbola of the plateau law.
Figure 2: Plateau levels of the slices μv before the shift correction and the hyperbola of the plateau law.
Coefficients of the cells of the length and position grid after the shift correction: δVS = μ0 is subtracted from all cells.
Figure 3: Coefficients of the cells of the length and position grid after the shift correction: δVS = μ0 is subtracted from all cells.
Plateau levels of the slices after the shift correction.
Figure 4: Plateau levels of the slices after the shift correction.
Coefficients of the replacement density bins and the density law before the shift correction.
Figure 5: Coefficients of the replacement density bins and the density law before the shift correction.
Replacement density bins and the density law after the shift correction.
Figure 6: Replacement density bins and the density law after the shift correction.
Coefficients of the bins of the number of rules and the law of the number of rules before the shift correction.
Figure 7: Coefficients of the bins of the number of rules and the law of the number of rules before the shift correction.
Bins of the number of rules and the law of the number of rules after the shift correction.
Figure 8: Bins of the number of rules and the law of the number of rules after the shift correction.
Coefficients of the bins of the rule number and the law of the rule number before the shift correction.
Figure 9: Coefficients of the bins of the rule number and the law of the rule number before the shift correction.
Bins of the rule number and the law of the rule number after the shift correction.
Figure 10: Bins of the rule number and the law of the rule number after the shift correction.
Coefficients of the text length bins in the logit of the collapse and the length law before the shift correction.
Figure 11: Coefficients of the text length bins in the logit of the collapse and the length law before the shift correction.
Text length bins and the length law after the shift correction: λVψ is subtracted from all bins.
Figure 12: Text length bins and the length law after the shift correction: λVψ is subtracted from all bins.
Coefficients of the replacement density bins in the logit of the collapse and the density law before the shift correction.
Figure 13: Coefficients of the replacement density bins in the logit of the collapse and the density law before the shift correction.
Replacement density bins and the density law after the shift correction: μPψ is subtracted from all bins.
Figure 14: Replacement density bins and the density law after the shift correction: μPψ is subtracted from all bins.
Coefficients of the word number bins in the logit of the place of the collapse and the word number law before the shift correction.
Figure 15: Coefficients of the word number bins in the logit of the place of the collapse and the word number law before the shift correction.
Word number bins and the word number law after the shift correction: μSF is subtracted from all bins.
Figure 16: Word number bins and the word number law after the shift correction: μSF is subtracted from all bins.
Coefficients of the replacement density bins in the logit of the place of the collapse and the density law before the shift correction.
Figure 17: Coefficients of the replacement density bins in the logit of the place of the collapse and the density law before the shift correction.
Replacement density bins and the density law after the shift correction: μPF is subtracted from all bins.
Figure 18: Replacement density bins and the density law after the shift correction: μPF is subtracted from all bins.
Coefficients of the bins of the share of the text passed before the word in the logit of the place of the collapse and the line of the text share before the shift correction.
Figure 19: Coefficients of the bins of the share of the text passed before the word in the logit of the place of the collapse and the line of the text share before the shift correction.
Text share bins and the line of the text share after the shift correction: λQF is subtracted from all bins.
Figure 20: Text share bins and the line of the text share after the shift correction: λQF is subtracted from all bins.
查看结构化数据
任务指标本文基线提升
指令容量测量(零点:短文本、答案开头、稀疏替换) IEC0.95(正确替换份额降至 0.95 时的规则数) 36.58±5.41 条(分箱)/ 38.06±6.13 条(光滑定律) 此前无可比参数:IFEval/Harada 只报告份额,Harada 的逻辑回归不含负载参数,RULER/NoLiMa 的有效长度只有倍增档位且无区间 首个以规则为单位、连续、带 95% 不确定度的指令容量参数
满替换密度下的保底容量 IGC0.95(每个词都被替换,p=1) 17.55±4.04 条(定律)/ 18.69±3.62 条(分箱) IFScale 最多 500 词任务,最强模型履行 68% 且尚未到崩溃点,无法折算为容量 扣除密度饱和代价(9.35±1.01 logits)后给出可解释的容量下界
答案崩溃率建模(请求级三类失败) 崩溃几率随文本长度的增长指数 κψ=2.40±0.19,几率 ∝ (v/20)^3.5;密度贡献 Aψ=12.25±1.01;与规则数无关 LongGenBench 仅定性观察到 4K token 后退化、约 45% 长答案退化为重复,无定量定律 首次给出崩溃的定量幂律,并证明其与指令容量是两种不同极限
答案核查 评估误差与偏差 程序精确比对参考答案,评估误差为 0,无法匹配位置一律记 0(不会高估) 判官模型:Harada 全履行率 0.657 vs 程序 0.213;SEQUOR 误拒 11.5%;AdvancedIF 判官 F1=0.723;MMMT-IF 中判官偏袒同门模型 消除裁判噪声与偏差,全部离散度归于被测模型本身
答案内位置容量(疲劳) FEC0.95(正确份额保持 0.95 的词数) 3277±571 词;FEC0.5≈11890±1839 词(外推) 无对应参数:LongGenBench 只给平滑曲线,RULER 有效长度精度仅 2 倍且无区间 给出连续的疲劳容量参数及其不确定度

局限与改进

作者明确承认的局限:所有定律只测了一个模型(gpt-4o-mini-2024-07-18),没有理由假设其形状普遍成立,更大或不同架构的模型可能出现极值、幂律或完全不同的显著轴;几处机理解释(归纳头复制机制、规则互相干扰、通过率限制)都只是假设,“仪器测量的是依赖的形式而非原因”;替换密度与文本长度是相关最强的一对轴(Table 3 中相关 0.76),稀疏替换的渐近水平主要靠长文本支撑,二者的分离依赖模型可加性假设;FEC0.5 超出测量区域(文本最长 10 240 词),只能外推。我自己的观察还有几点:容量定义在“零点”(答案开头、短文本、稀疏替换),真实提示几乎从不处于该状态,须另行换算;规则是约定单位,依赖提示模板与词表,跨协议不可比;实验点的自适应规划技术是闭源黑箱,虽不影响护照复算,但测量区域的选择本身不可审计;每个任务只生成一次回答(温度 0、固定种子),模型侧随机性与种子稳定性没有被独立重复验证;请求难度方差很大($\sigma^2=5.90$),把 0.95 等级阈值从 2.94 推到 4.97 logits,容量估计对这一方差相当敏感。

独立分析的弱点

(1)单模型证据:全部定律来自一个小模型,是否适用于其他模型未知,作者也承认无普遍性依据——应尽快给出 3–5 个不同厂商、规模的护照检验定律形状的稳定性。(2)词表与协议绑定:2 220 个单 token 词只对三个分词器保证原子性,Claude 等不公开 tokenizer 的模型只能用 token 计数间接验证;且“一条规则=一个单位”依赖特定提示模板与校验协议,换模板需重新校准——应发布多模板、多语言词表的交叉校准系数。(3)满密度的生态效度:满密度替换对应“逐词改写”,但真实 prompt 的多条指令通常作用于共享文本,密度轴能否代表这种负载尚未证明——可设计“规则+并行实质任务”的桥接实验验证等效性。(4)崩溃的核算:崩溃后所有后续试验记 0 虽保守,却把“位置保持失败”与“规则执行失败”混入同一容量核算,作者用独立崩溃定律缓解但未彻底分离——可用生存分析把崩溃作为删失事件同时建模。(5)大模型成本:答案长度上限使 token 需求超线性增长(128K 上限约 7200 请求、3.12 亿 token、112 小时,百万 token 级模型约 50 亿 token),全立方扫描只在首发校准时可行——选择性复测策略本身仍是未解问题。

未来方向

作者提出的方向:一是给尽可能多的不同类别、不同代际模型建护照,比较退化定律本身——显著轴的组成、单调性、对数还是幂律——与模型内部结构的关系,形成护照目录;二是“提示称重”:把待测 prompt 放在规则表旁边,测其对独立对照任务正确率的影响,按护照定律换算成等效规则数,使模型容量与提示负载同尺度可比,催生提示负载计量学。基于本文成果还可延伸:把候选轴 c(词在完整上下文中的位置,5.2 节已验证含独立信息)纳入模型;用归纳头探针或激活补丁检验复制机制的因果解释;把崩溃建模换成生存分析以同时估计崩溃率与崩溃位置;为无公开 tokenizer 的模型建立标准化的间接单 token 校验流程;发展基于已知定律的序贯/最优实验设计,把复测成本再降一个数量级(作者估计至少可降 10 倍);以及把词表扩展到其他语言,检验退化定律的跨语言稳定性。

复现评估

复现条件在同类工作中属于极好:代码 MIT 许可、数据与文档 CC-BY 4.0,公开仓库(github.com/kutomanovhennadii/instruction-capacity)含单点执行代码(种子生成任务→调用模型→校验答案)、建护照与校验代码、词表及其生成代码,以及完整测量记录(每点含提示、答案、token 计数与校验和)。运行 python scripts/verify.py 会比对校验和、用种子逐字节重生成每个任务并重算护照,全程不调用模型,任何护照数字都能在普通电脑上免费复核。任务材料来自 CMU 词典 0.7a 与 WordNet 3.0 固定版本,可逐字节重现。测量本身仅耗 6.03 美元、5 小时 43 分钟(借 OpenAI 流量共享计划的免费 token),算力与费用门槛极低。主要障碍:自适应点选择技术是闭源部分(不影响护照复算,但无法复现同一测量区域);依赖特定 API 版本(gpt-4o-mini-2024-07-18),存在退役风险;跨厂商模型需各自重建词表并处理 tokenizer 不公开问题。总体:复算护照=入门级;在另一模型上完整测量=中等,成本主要在时间与 token。

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