追問快讀：當(dāng)我們遇到新問題時(shí)，往往會(huì)通過類比過去的經(jīng)驗(yàn)來尋找解決方案，大語言模型能否如同人類一樣類比？在對(duì)大模型的眾多批判中，人們常說大模型只是記住了訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中的模式，并沒有進(jìn)行真正的推理。本文總結(jié)最近發(fā)布的多項(xiàng)關(guān)于大模型類比能力的研究，并指出未來類似研究的可能方向。

當(dāng)下想要找到些“普通人類擅長，而大模型不擅長”的任務(wù)，似乎越來越難了。“類比”可能就是這樣的任務(wù)，這不只是人工智能的“阿克琉斯之踵”，更顯露出不同大模型間以及大模型與人類之間的本質(zhì)差異。

在《表象與本質(zhì)》一書中，認(rèn)知科學(xué)家侯世達(dá)（Douglas Hofstadter）指出：

類比不僅僅是語言或邏輯的工具，更是思維的基本單位。

我們?nèi)粘ＵZ言中充滿了類比和隱喻，就如同“充滿”一詞本身。類比能夠激活創(chuàng)造力。例如，愛因斯坦將引力場(chǎng)類比為一個(gè)重物被放入蹦床后造成的表面彎曲，這啟發(fā)他提出了廣義相對(duì)論。類比還能解釋難以理解的現(xiàn)象。就像為人所熟知的類比“意識(shí)就像冰山”，通過將意識(shí)與冰山聯(lián)系起來，人們可以直觀地推斷出意識(shí)在水面下的深度和復(fù)雜性。

那么，大語言模型是否也具有類比能力？

在機(jī)器學(xué)習(xí)中，類比體現(xiàn)為“0嘗試推理”，即不給大模型可供學(xué)習(xí)的示例，而是讓大模型自行根據(jù)題目進(jìn)行推理。為了驗(yàn)證大模型能否進(jìn)行類比推理，Webb等人（2023）設(shè)計(jì)并使用了三種類比推理任務(wù)——字符串類比、數(shù)字矩陣和故事類比，以此測(cè)試GPT3面對(duì)不同類型任務(wù)的推理能力。通過這套測(cè)試，研究人員認(rèn)為他們證明了GPT-3具有類比推理能力[1]。

但是，更進(jìn)一步的問題是，這些大模型會(huì)不會(huì)只是在回憶訓(xùn)練數(shù)據(jù)，而并非真正的類比呢？當(dāng)面對(duì)更變化多樣的問題時(shí)，大模型能否具有穩(wěn)定的類比能力？

大模型能讀懂題目“馬甲”下的本質(zhì)嗎？

為了檢測(cè)模型是否依賴表面特征或捷徑，而非真正的抽象推理，圣塔菲研究院的Lewis & Mitchell，基于Webb等人設(shè)計(jì)的基本轉(zhuǎn)換和泛化類型，設(shè)計(jì)了更進(jìn)一步的變體測(cè)試[2]。

他們給題目套一些“馬甲”，在不改變本質(zhì)的同時(shí)，讓題目看起來不同；然后用新的測(cè)試對(duì)GPT-3（text-davinci-003）以及近期更新的大模型GPT-3.5（gpt-3.5-turbo-0613）、GPT-4（gpt-4-0613）進(jìn)行類比能力測(cè)試，包括字符串、數(shù)字矩陣和故事類比實(shí)驗(yàn)。這類研究中，最常用到的是侯世達(dá)于1985年提出的“字符串類比”*。

* 字符串類比：a b c d → a b c e; i j k l → ?

其中，第一部分是"源轉(zhuǎn)換"，第二部分是"目標(biāo)"，任務(wù)是以類似于源轉(zhuǎn)換的方式轉(zhuǎn)換目標(biāo)字符串。

2023年，Webb等人提出了六種轉(zhuǎn)換類型（如序列擴(kuò)展、后繼、前驅(qū)等）和多種泛化類型（如字母到數(shù)字、分組、更長目標(biāo)等）的組合。他們?yōu)槊糠N問題類型生成了大量問題，并將這些問題給到GPT-3（text-davinci-003）以及57名UCLA本科生進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，人類參與者的準(zhǔn)確率表現(xiàn)出很大的差異，但總體而言，GPT-3在大多數(shù)問題類型上的表現(xiàn)甚至優(yōu)于平均人類表現(xiàn)[1]。

但是，這項(xiàng)研究中所使用的字母表均為標(biāo)準(zhǔn)英文字母表及其固有順序，測(cè)試中大模型表現(xiàn)出來的“類比能力”是否可能依賴表面特征走了“捷徑”？為此，Lewis & Mitchell保留了基本轉(zhuǎn)換和泛化類型，又進(jìn)一步創(chuàng)建了兩類變體[2]：

- 虛構(gòu)字母表：隨機(jī)打亂2-20個(gè)字母的順序，創(chuàng)建28種不同的打亂字母表

- 符號(hào)字母表：用非字母符號(hào)完全替代字母，創(chuàng)建9種不同的符號(hào)字母表

研究人員對(duì)真實(shí)的拉丁字母表，隨機(jī)選取1-3對(duì)進(jìn)行替換，然后分別給人類和GPT-3、GPT-3.5、GPT-4進(jìn)行了測(cè)試。

?圖1. Lewis & Mitchell給受試人類和大模型的類比問題示例. 圖源：[2]

結(jié)果顯示，當(dāng)字母表的替換次數(shù)增加后，不論是GPT3、GPT3.5或到GPT4，其回答準(zhǔn)確性都有下降，且都顯著低于在線招募的人類受試者[2]。

?圖2：不同字母表替換次數(shù)下，GPT模型和人類被試者的準(zhǔn)確性對(duì)比. 圖源：[2]

Mitchell團(tuán)隊(duì)還做過一項(xiàng)嘗試，他們讓42名兒童（7-9歲）、62名成人以及4種大模型（Anthropic的Claude-3.5、Google的Gemma-2 27B、Open AI的GPT-4o和Meta的Llama-3.1 405B），接受拉丁字母表、希臘字母表和符號(hào)列表三種條件的字符串類比任務(wù)[3]。

?圖3：不同類型的字母推理問題. 圖源：[3]

結(jié)果顯示，大模型面對(duì)類比問題時(shí)，準(zhǔn)確性就會(huì)顯著下降，表現(xiàn)甚至不如兒童。就拿GPT-4o和Claude-3.5來說，在拉丁語字母表上，其平均準(zhǔn)確性要高于兒童并接近成人；但當(dāng)題目換成希臘字母，準(zhǔn)確性就會(huì)顯著下降；而到了符號(hào)時(shí)，其準(zhǔn)確性甚至不如孩童。而其他開源模型如Llama-3.1 405B和Gemma-2 27B，其準(zhǔn)確性下降更為明顯[3]。

?圖4：不同大模型和人類在三類字符串類比中的表現(xiàn)對(duì)比. 圖源：[3]

上述結(jié)果說明，當(dāng)實(shí)驗(yàn)引入“異構(gòu)”字母表時(shí)，人類甚至兒童仍然能夠解決問題，而大模型則會(huì)出錯(cuò)。一個(gè)能夠真正理解和類比的系統(tǒng)，應(yīng)該在變化的情況下也能保持高性能——這正是GPT系列大模型不具備的能力。

讀者也許會(huì)好奇，其他推理大模型能否回答這樣的問題。筆者簡單嘗試了一下，在DeepSeek官方的全尺寸R1及V3模型，以及阿里通義千問的QwQ 32B推理模型中，對(duì)于多次替換后的虛構(gòu)字母表，模型能夠正確回答，并給出符合人類思考過程的推理過程的。

但當(dāng)DeepSeek模型變?yōu)檎麴sQwen或lamma的32B、14B、8B或1.5B尺寸時(shí)，筆者有限的幾次觀察發(fā)現(xiàn)，模型都呈現(xiàn)出過度思考的特征，即會(huì)在思考過程中嘗試眾多過于復(fù)雜的模式，展示數(shù)萬token的繁雜思考過程，最終仍然給出了錯(cuò)誤的回答。筆者還遇到在思考過程中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)正確答案，但又在接下來的思考過程中，大模型將其否決的案例。

筆者認(rèn)為，基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的大模型能否進(jìn)行類比，還需要進(jìn)一步的定量研究，以考察不同尺寸模型的準(zhǔn)確度。例如，對(duì)于模型將問題過度復(fù)雜化的傾向，可以根據(jù)思考過程，對(duì)模型的錯(cuò)誤進(jìn)行進(jìn)一步的分類，以此或可創(chuàng)建出一個(gè)評(píng)估一般思維能力的考核指標(biāo)。

此外，還可以組合字符串類比的6個(gè)變種，設(shè)計(jì)更多的題目，例如在字母表中包含數(shù)字、英文字母、漢字及符號(hào)，這樣的改變或許對(duì)人類不會(huì)影響準(zhǔn)確性，但可能會(huì)導(dǎo)致大模型的準(zhǔn)確度下降。同時(shí)，還需要考察推理模型對(duì)于這類問題的思考時(shí)所用的token數(shù)量，從而減少計(jì)算成本。

大模型能理解推理規(guī)則嗎？

除了字母表推理，還可以使用數(shù)字矩陣類問題（分析數(shù)字模式以確定缺失的數(shù)字）。數(shù)字矩陣測(cè)試的設(shè)計(jì)思路源于經(jīng)典的瑞文漸進(jìn)矩陣測(cè)試（Raven's Progressive Matrices），這是一種廣泛用于測(cè)量抽象推理能力的非語言智力測(cè)試。相比之前字母表類比中改變問題的表現(xiàn)形式，數(shù)字矩陣問題通過組合規(guī)則，考察了大模型所謂的推理能力是真正的抽象理解還是模式匹配。

這類問題中，涉及的基礎(chǔ)規(guī)則有4種，題目由這些基礎(chǔ)規(guī)則組合而成：

研究者對(duì)原始數(shù)字矩陣測(cè)試進(jìn)行了兩個(gè)關(guān)鍵變化：空白位置變化（將空白位置變?yōu)榫仃嚨钠渌恢?如[1,3]或[2,2]）和規(guī)則復(fù)雜度變化（設(shè)計(jì)了不同復(fù)雜度級(jí)別的矩陣問題，從簡單到復(fù)雜）[2]。

?圖5：涉及到多個(gè)規(guī)則的數(shù)字矩陣推理問題以及將數(shù)字換為符號(hào)的數(shù)字矩陣推理問題. 圖源：[2]

結(jié)果顯示，僅改變空白位置這一表面特征，就導(dǎo)致GPT模型表現(xiàn)大幅下滑。盡管GPT-4在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試中接近人類表現(xiàn)（83% vs 87%）；但在變體測(cè)試中，GPT-4的表現(xiàn)下降幅度（26%）遠(yuǎn)大于人類（4%）[2]。這意味著，即使是最先進(jìn)的模型也表現(xiàn)出對(duì)格式變化的高度敏感性，同樣表明了大模型的推理能力不那么魯棒。

?圖6：數(shù)字矩陣推理問題的準(zhǔn)確度. 圖源：[2]

在數(shù)字矩陣問題中，當(dāng)缺失數(shù)字的位置改變時(shí)，GPT 模型的表現(xiàn)顯著下降。這表明了大模型不僅不理解題目考察的是什么，更沒有理解進(jìn)行類比所依賴的規(guī)則。其在單一規(guī)則或原始字母表上的優(yōu)異表現(xiàn)，依賴于題目與示例之間在的表面相似性，而非更深層次的因果推理。

與之類似的，還包括下面的矩陣變換問題。一項(xiàng)研究通過簡化版ARC（抽象與推理語料庫）任務(wù)對(duì)比了不同年齡人類（兒童與成人）和大型語言模型的視覺類比推理表現(xiàn)，結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)人類在復(fù)雜任務(wù)中顯著優(yōu)于大模型，而大模型常依賴復(fù)制或矩陣組合策略，缺乏抽象概念理解能力[4]。

?圖6: 給人類和大模型的視覺類比推理問題示例，以及不同推理規(guī)則對(duì)應(yīng)題目的大模型與人類的準(zhǔn)確度對(duì)比. 圖源：[4]

在基于常識(shí)的文科推理上，

大模型表現(xiàn)如何？

上述兩類類比問題都可以算是“理科題目”，對(duì)于“文科生”的大模型，或許確實(shí)有些難了。相比之下，故事類比則主要考察大模型基于常識(shí)的類比能力。

這類題目通常給出1個(gè)幾句話組成的短故事，然后要求參與者判斷故事1和故事A或B哪一個(gè)更為相似，即識(shí)別短故事之間的相似性，并從多個(gè)選項(xiàng)中選擇最符合類比關(guān)系的答案。

?圖7：相似故事的類比判斷，題目的故事是一個(gè)吃不到葡萄說葡萄酸的騾子版本，故事A將主角換成了一個(gè)女孩，而在故事B中，主角沒有獲得相似的東西，是由于不喜歡而非拿不到. 圖源：[2]

在Lewis & Mitchell的研究中，他們嘗試了兩種變體：一是隨機(jī)打亂答案選項(xiàng)的順序，二是保持核心關(guān)系不變，但重寫故事的表述方式[2]。

在故事類比中，GPT-4 傾向于更頻繁地選擇第一個(gè)給出的答案作為正確答案，而人類則不受答案順序的影響。此外，對(duì)于大模型，將故事用不同的話重述，也會(huì)降低在故事類比問題上的準(zhǔn)確性[2]。

?圖8：文字類比問題上大模型的表現(xiàn)差異. 圖源：[2]

故事類比更接近自然語言處理的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，但研究結(jié)果卻表明即使在語言模型的"主場(chǎng)"上，它們的類比推理能力仍然缺乏真正的靈活性和魯棒性，過度依賴于表面特征與特定的答案格式，而非深層理解抽象關(guān)系。

為此，筆者也設(shè)想了一種判別方式，例如對(duì)比大模型和人類回答這類問題的準(zhǔn)確性。可以生成很多組類比問題，并招募讀過相關(guān)小說的普通人，以獲取大眾認(rèn)知中的一般性回答，然后對(duì)比不同大模型和人類回答的差異性。

通過設(shè)置不同的細(xì)分問題，可以考察大模型與人類在類比能力方面的相似度及價(jià)值觀對(duì)齊情況。

- 跨文體類比能力：在風(fēng)格差異較大的作品間，如中文的金庸武俠或《紅樓夢(mèng)》與英文的《哈利波特》，大模型的類比準(zhǔn)確性能否達(dá)到人類水平？

- 角色理解差異：大模型在處理男性和女性角色類比時(shí)，是否存在準(zhǔn)確性差異？

- 群體偏好特征：大模型的類比偏好是否更接近特定人群（如不同性別、年齡段的人群）？

- 邏輯遞推性：大模型的類比是否具有傳遞性特征（即當(dāng)A>B且B>C時(shí)，是否必然推導(dǎo)出A>C）？

?圖9：大模型能夠在跨越文學(xué)作品進(jìn)行類比嗎？本文作者與DeepSeek對(duì)話截圖，其中前一道基本不會(huì)存在爭議的人物類比，以及后一道可能存在回答差異的人物類比題目。

除了上述假想的對(duì)復(fù)雜人物性格的類比，還有研究測(cè)試了大模型在無預(yù)設(shè)條件下將抽象概念（如pull、flee）與空間符號(hào)（上下左右）進(jìn)行類比推理的能力，結(jié)果顯示，大模型和人類的相似性不算高[5]。不過考慮到這項(xiàng)研究強(qiáng)行要求將抽象概念（給定單詞）和方位對(duì)應(yīng)缺少現(xiàn)實(shí)意義，這里就不詳細(xì)論述。

?圖10：大模型對(duì)抽象概念和人類類比的準(zhǔn)確性評(píng)估.圖源：[5]

提升大模型類比能力，還任重道遠(yuǎn)

基于以上研究發(fā)現(xiàn)，我們大致可以得到一個(gè)結(jié)論：聲稱大語言模型已具備一般推理能力或許為時(shí)過早。

盡管早期研究中大模型在特定任務(wù)上表現(xiàn)良好，但當(dāng)測(cè)試難度提升時(shí)，它們的表現(xiàn)就不穩(wěn)定了。一個(gè)模型在一組特定任務(wù)上表現(xiàn)良好，并不意味著它具有魯棒性。之前有研究表明，在面對(duì)數(shù)學(xué)應(yīng)用題時(shí)，只是更換題目中的人名，大模型的解答準(zhǔn)確度都會(huì)明顯下降，而增加無關(guān)的背景論述時(shí)，模型的性能下降則更加明顯[6]。

這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于在教育、法律和醫(yī)療等關(guān)鍵決策領(lǐng)域應(yīng)用人工智能敲響了警鐘，人工智能可以是一個(gè)強(qiáng)大的工具，但它還不能取代人類的思考和推理。例如，在教育領(lǐng)域，大模型生成的比喻確實(shí)能為教學(xué)提供幫助；然而，如果缺乏專業(yè)人士的審核與修正，這些類比可能存在潛在風(fēng)險(xiǎn)。

?Micha Huigen

因此，研究人員需要開發(fā)和實(shí)施穩(wěn)健性測(cè)試，以適應(yīng)問題或情況中細(xì)微變化的能力。新的穩(wěn)健性測(cè)試應(yīng)包括一組公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)化任務(wù)，用以評(píng)估 AI 系統(tǒng)以及人類如何適應(yīng)新情況。在實(shí)踐中，大模型常會(huì)遇到之前分析數(shù)據(jù)中未曾遇到的新情況和挑戰(zhàn)，而穩(wěn)健性測(cè)試將為用戶提供衡量大型語言模型可信度的方式。

與此同時(shí)，24年的機(jī)器學(xué)習(xí)頂會(huì)ICLR的一項(xiàng)研究展示了另一個(gè)發(fā)展方向：通過類比推理框架，讓大模型自動(dòng)生成新的規(guī)則來應(yīng)對(duì)未知場(chǎng)景[7]。這種基于提示詞工程的方法在多個(gè)測(cè)試基準(zhǔn)上都取得了顯著性能提升，表明提升大模型的類比能力不僅是評(píng)估其穩(wěn)健性的重要維度，更是增強(qiáng)模型泛化能力的關(guān)鍵路徑。這兩種方法相輔相成，共同推動(dòng)著大模型向更可靠、更智能的方向發(fā)展。

展望未來，大模型類比思維的研究，或可從中國傳統(tǒng)中汲取靈感。中國古典文學(xué)中的對(duì)聯(lián)與律詩，本質(zhì)上就是一種精妙的類比系統(tǒng)，其中蘊(yùn)含著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?duì)應(yīng)規(guī)則和豐富的語義關(guān)聯(lián)。通過這些結(jié)構(gòu)化的語言數(shù)據(jù)集對(duì)大模型進(jìn)行微調(diào)，可能為增強(qiáng)其類比推理能力開辟新途徑。

就像中文指令微調(diào)數(shù)據(jù)集 COIG-CQIA，為了提升模型在編程及數(shù)學(xué)問題上的表現(xiàn)，也曾使用了中文互聯(lián)網(wǎng)社區(qū)數(shù)據(jù)“弱智吧”的標(biāo)題作為訓(xùn)練指令。這些來自不同領(lǐng)域的實(shí)踐表明，結(jié)構(gòu)化的類比思維模式，無論是傳統(tǒng)文學(xué)還是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)社群數(shù)據(jù)集，都可能成為提升人工智能認(rèn)知能力的重要工具。

畢竟，類比思維的本質(zhì)是通用的。

[1] Taylor Webb, Keith J. Holyoak, and Hongjing Lu. Emergent analogical reasoning in large language models. Nature Human Behaviour, 7(9):1526–1541, 2023.

[2] Lewis, Martha & Mitchell, Melanie. (2024). Evaluating the Robustness of Analogical Reasoning in Large Language Models. 10.48550/arXiv.2411.14215.

[3] Stevenson CE, Pafford A, van der Maas HLJ, Mitchell M. (2024). Can large language models generalize analogy solving like children can? arXiv.2411.02348v1.

[4] Opie?ka GJ, Rosenbusch H, Vijverberg VP, Stevenson CE. Do large language models solve ARC visual analogies like people do? [Internet]. arXiv.org. 2024 May 13 [cited 2025 Apr 2]. Available from: https://arxiv.org/pdf/2403.09734v2

[5] Wicke, P., Hirlimann, L., & Cunha, J. M. (2024). Using Analogical Reasoning to Prompt LLMs for their Intuitions of Abstract Spatial Schemas. Retrieved from https://analogy-angle.github.io/assets/Wicke.pdf

[6] Mirzadeh S I, Alizadeh K, Shahrokhi H, Tuzel O, Bengio S, Farajtabar M. GSM-Symbolic: Understanding the Limitations of Mathematical Reasoning in Large Language Models. *arXiv preprint arXiv:2410.05229*. 2024.

[7] Yasunaga M, Chen X, Li Y, Pasupat P, Leskovec J, Liang P, Chi EH, Zhou D. Large language models as analogical reasoners. In *International Conference on Learning Representations (ICLR)* 2024.

關(guān)于追問nextquestion

天橋腦科學(xué)研究院旗下科學(xué)媒體，旨在以科學(xué)追問為紐帶，深入探究人工智能與人類智能相互融合與促進(jìn)，不斷探索科學(xué)的邊界。如果您有進(jìn)一步想要討論的內(nèi)容，歡迎評(píng)論區(qū)留言，或后臺(tái)留言“社群”即可加入社群與我們互動(dòng)。

關(guān)于天橋腦科學(xué)研究院

天橋腦科學(xué)研究院（Tianqiao and Chrissy Chen Institute）是由陳天橋、雒芊芊夫婦出資10億美元?jiǎng)?chuàng)建的世界最大私人腦科學(xué)研究機(jī)構(gòu)之一，圍繞全球化、跨學(xué)科和青年科學(xué)家三大重點(diǎn)，支持腦科學(xué)研究，造福人類。

Chen Institute與華山醫(yī)院、上海市精神衛(wèi)生中心設(shè)立了應(yīng)用神經(jīng)技術(shù)前沿實(shí)驗(yàn)室、人工智能與精神健康前沿實(shí)驗(yàn)室；與加州理工學(xué)院合作成立了加州理工天橋神經(jīng)科學(xué)研究院。

Chen Institute建成了支持腦科學(xué)和人工智能領(lǐng)域研究的生態(tài)系統(tǒng)，項(xiàng)目遍布?xì)W美、亞洲和大洋洲，包括、、、科研型臨床醫(yī)生獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃、、等。