Beyond Fixed Directions: Adaptive Representation Analysis of Reasoning and Memorization in LLMs
تُظهر هذه الورقة أنه بينما يمكن فك تشفير مهام الاستنتاج والذاكرة في النماذج اللغوية الكبيرة عبر اتجاه تمثيل واحد، فإن هذا الاتجاه ليس ثابتاً بل يخضع لإعادة تنظيم هندسي جوهري أثناء التعلم المعزز، حتى مع بقاء المعلومات الأساسية متاحة.
في عالم الذكاء الاصطنا-عي المتطور بسرعة، أصبحت النماذج اللغوية الكبيرة قادرة على حل الألغاز المعقدة واسترجاع كميات هائلة من المعلومات. لطالما تساءل العلماء عن كيفية عمل هذه الأدمغة الرقمية في الواقع. يشير أحد الأفكار السائدة إلى أن سلوكيات معينة، مثل الاستدلال المنطقي أو استرجاع الحقائق البسيطة، مرتبطة بمسارات محددة وثابتة داخل ذاكرة النموذج الداخلية. تخيل عقل النموذج كفضاء شاسع متعدد الأبعاد حيث يترك كل فكر أثراً. إذا صحت هذه الفكرة، فإن الفرق بين تفكير النموذج في مسألة رياضية وتفكيره في مجرد استرجاع حقيقة يجب أن يكون مرئياً كخط مستقيم واحد يشير في اتجاه محدد. هذا المفهوم جذاب للغاية لدرجة أن بعض الباحثين حاولوا استخدام هذه الخطوط الثابتة كأدلة لتدريب النماذج على التفكير بشكل أفضل، بافتراض أن المسار الذي وجدوه سيظل ثابتاً وموثوقاً.
ومع ذلك، تتحدى دراسة جديدة الافتراض بأن هذه المسارات تظل في مكانها. فقد ألقى الباحثون نظرة فاحصة على نموذج لغوي صغير، وتحديداً نسخة تُعرف باسم Qwen3-0.6B، لمعرفة ما إذا كانت فكرة الاتجاه الثابت هذه تصمد عندما يتعرض النموذج للتدريب الصارم. لقد جمعوا مجموعة متوازنة بعناية مكونة من 400 مثال، نصفها يتطلب استدلالاً منطقياً والنصف الآخر يتطلب استرجاعاً للحقائق. ومن خلال تجريد الأمثلة من المشتتات مثل طول الجملة أو المفردات المحددة، ضمنوا أن أي فرق يجدونه كان يتعلق حقاً بنوع التفكير المعني. كان اكتشافهم الأول مطمئناً: فقد أكدوا أنه في أي لحظة زمنية معينة، يكون الفرق بين الاستدلال والتذكر واضحاً لدرجة أن خطاً واحداً يمكنه الفصل بين المجموعتين تماماً. في الواقع، نجح هذا الخط البسيط بنفس كفاءة التحليل المعقد عالي الأبعاد الذي نظر في كل زاوية ممكنة من البيانات.
تتحول القصة عندما قام الباحثون بتدريب النموذج باستخدام تقنية قوية تسمى "تحسين السياسة النسبي للمجموعة" (group-relative policy optimization)، وهي طريقة مصممة لتعزيز مهارات الاستدلال. توقعوا أنه إذا كانت فكرة الاتجاه الثابت صحيحة، فإن الخط الذي يفصل الاستدلال عن الذاكرة سيبقى في مكانه حتى مع تعلم النموذج. وبدلاً من ذلك، وجدوا أنه بينما ظل النموذج يميز بين المهمتين بشكل مثالي، إلا أن الاتجاه الفعلي لتلك المعرفة قد تغير بشكل كبير. فبعد التدريب، كان الخط الذي كان يشير بوضوح نحو "الاستدلال" قد دار كثيراً لدرجة أنه لم يعد متوافقاً مع موضعه الأصلي. وفي المتوسط، كان الاتجاه الجديد مشابهاً للقديم بنسبة 45 بالمائة فقط، وفي الطبقات العميقة من النموذج، كان التحول أكثر وضوحاً، حيث انزاح التمثيل الداخلي بأكثر من النصف.
يكشف هذا الاكتشاف عن تمييز جوهري بين ما يعرفه النموذج وكيفية تخزين تلك المعرفة. المعلومات نفسها لم تختفِ؛ إذ كان لا يزال بإمكان النموذج التمييز بين مسألة رياضية وسؤال عن معلومات عامة بدقة تامة بعد التدريب. لكن الإحداثيات الهندسية التي استخدمها للتعبير عن هذا التمييز قد أعيد تنظيمها بالكامل. الأمر أشبه بخريطة مدينة تظل دقيقة تماماً في إخبارك بمكان المكتبة، لكن اتجاهات البوصلة على الخريطة قد دارت بحيث أصبح "الشمال" يشير الآن إلى حيث كان "الشرق" سابقاً. وقد قاس الباحثون هذا التحول من خلال مقارنة الحالة الداخلية للنموذل قبل التدريب وبعده، ووجدوا أن التغيير لم يكن مجرد تعديل طفيف بل كان إعادة تنظيم جوهرية للمشهد الداخلي للنموذج.
تخلص الدراسة إلى أنه بينما تظل القدرة على الفصل بين الاستدلال والذاكرة قوية، فإن فكرة أن هذه القدرة تعتمد على اتجاه واحد غير متغير هي فكرة خاطئة. المعلومات تستمر، لكن المسار الذي تسلكه عبر عقل النموذج مرن ويتغير مع التعلم. وهذا يشير إلى أنه بالنسبة للجهود المستقبلية لتوجيه الذكاء الاصطنا-عي باستخدام هذه الاتجاهات الداخلية، لا يمكن للعلماء ببساطة العثور على مسار مرة واحدة وافتراض أنه سيظل صالحاً. بدلاً من ذلك، يجب عليهم قبول أن الخريطة نفسها يتم رسمها من جديد باستمرار، حتى وإن ظلت المعالم في مكانها. إن استقرار المعرفة لا يضمن استقرار المسار المستخدم للوصول إليها.
ملخص تقني: ما وراء الاتجاهات الثابتة
بيان المشكلة
اقترحت أعمال حديثة في مجال التفسير الآلي (Mechanistic Interpretability) والتعلم المعزز (Reinforcement Learning - RL) أن التمايزات السلوكية عالية المستوى في النماذج اللغوية الكبيرة (LLMs)، مثل الفرق بين مهام التفكير الموجه نحو الاستنتاج ومهام استرجاع الحقائق، يمكن توصيفها من خلال اتجاه واحد ثابت في فضاء التنشيط (Activation Space). وتستخدم طرق مثل DiRL هذه الاتجاهات كمرتكزات هندسية ثابتة أثناء عملية تحسين السياسة النسبية للمجموعات (GRPO) لتوجيه عملية الاستكشاف.
يتحقق هذا البحث من صحة افتراضين أساسيين لفرضية "الاتجاه الثابت":
القابلية للفصل (Separability): هل يمكن التقاط التمييز بين مجموعات المهام الموجهة نحو الاستنتاج والموجهة نحو استرجاع الحقائق من خلال اتجاه خطي واحد عبر طبقات المحول (Transformer)؟
الاستقرار (Stability): هل يظل الاتجاه المحدد قبل عملية التعلم المعزز (RL) متوافقًا هندسيًا بعد خضوع النموذج لتدريب GRPO؟
يميز المؤلف بين القابلية للفك (Decodability) (أي ما إذا كانت المعلومة موجودة في التمثيل) والاستقرار الاتجاهي (Directional Stability) (أي ما إذا كان المتجه المحدد الذي يشفر تلك المعلومة يظل ثابتًا).
المنهجية
النموذج والبيانات
النموذج: تستخدم الدراسة نموذج Qwen3-0.6B. ولتحليل الاستقرار (RQ2)، تتم مقارنة النموذج الأساسي بنسخة تم إصدارها علنًا تم تدريبها باستخدام GRPO وهي (x32/Qwen3-0.6B-GRPO-GSM8K-Think).
مجموعة البيانات: تم إنشاء مجموعة بيانات محكومة مكونة من 400 مثال (200 مهمة موجهة نحو الاستنتاج، 200 مهمة استرجاع حقائق).
الاستنتاج: مستمدة من MATH-500 وGSM8K.
استرجاع الحقائق: مستمدة من PopQA وTriviaQA.
الضبط (Control): لإزالة طول الرموز (Token Length) كمتغير مربك (والذي حقق سابقًا دقة تبلغ ~0.965 في الإعدادات غير المنضبطة)، استخدم المؤلف إجراء مطابقة الطول باستخدام صناديق عرض طول الرموز بعرض 10. نتج عن ذلك مجموعة متوازنة حيث يتم التحكم في المفردات السطحية والطول، رغم بقاء الارتباطات المعجمية أو النطاقية قائمة.
التصميم التجريبي
تعالج الدراسة سؤالين بحثيين (RQs):
السؤال البحثي الأول (RQ1): القابلية للفصل عبر اتجاه واحد
بناء الاتجاه: تم استخدام طريقتين لتحديد اتجاه فاصل في كل طبقة من طبقات الـ 28 في المحول:
اتجاه فرق المتوسط (Mean-Difference Direction): وهو فرق المتجه بين متوسطات الفئات للحالات الخفية.
اتجاه وزن المسبار (Probe-Weight Direction): وهو متجه الوزن لمسبار الانحدار اللوجستي المدرب لتصنيف مجموعات المهام.
التقييم: قارن المؤلف أداء هذه الإسقاطات أحادية البعد مقابل مسبار خطي كامل بـ 1024 بُعدًا (انحدار لوجستي) باستخدام التحقق المتقاطع الطبقي المحتجز (Held-out stratified cross-validation).
الضوابط: تضمنت التجارب مصنفًا يعتمد على الطول فقط، ومصنفًا معجميًا (TF-IDF)، ومسبارًا بعلامات عشوائية لضمان أن الإشارة ليست مجرد نتاج عرضي لخط الإنتاج (Pipeline).
السؤال البحثي الثاني (RQ2): عدم الاستقرار الاتجاهي بعد GRPO
مقاييس الاستقرار: قام المؤلف بحساب تشابه جيب التمام (Cosine Similarity) بين الاتجاهات المستخرجة من النموذج الأساسي والنموذج المدرب بالتعلم المعزز (RL):
بين اتجاهات فرق المتوسط (cos(d^B,d^RL)).
بين اتجاهات وزن المسبار (cos(w^B,w^RL)).
انزياح التمثيل (Representation Drift): لقياس التغيرات الهندسية الأوسع بمعزل عن تسميات المهام، قاموا بحساب متوسط مسافة جيب التمام للحالات الخفية المتطابقة لنفس الأمثلة المدخلة عبر النسختين.
التحقق من القابلية للفك: تحققوا مما إذا كانت مجموعات المهام لا تزال قابلة للفك في نموذج RL باستخدام مسبار مدرب خصيصًا على تمثيل RL.
النتائج الرئيسية
RQ1: القابلية للفك عبر اتجاه واحد
الفصل المثالي: في مجموعة البيانات المحكومة المكونة من 400 مثال، حقق إسقاط واحد أحادي البعد (باستاستخدام إما اتجاه فرق المتوسط أو اتجاه وزن المسبار) AUROC = 1.00، وهو ما يطابق أداء المسبار الخطي الكامل ذي الـ 1024 بُعدًا.
أداء الطبقات: حدث أفضل اتجاه لفرق المتوسط عند الطبقة 18، وأفضل اتجاه لوزن المسبار عند الطبقة 12. وكلاهما وصل إلى دقة شبه مثالية (0.9975) وAUROC (1.0000).
التحقق من الضوابط: بينما انخفضت دقة المصنف المعتمد على الطول فقط إلى 0.65 بعد المطابقة، ظل خط الأساس TF-IDF قويًا (0.96 دقة)، مما يشير إلى أن الهياكل المعجمية والنطاقية لا تزال مرتبطة بتسميات المهام. ومع ذلك، تفوقت مصنفات الحالة الخفية على TF-IDF، مما يؤكد أن الفصل ليس ناتجًا فقط عن المفردات السطحية.
الاستنتاج: التمييز بين الاستنتاج واسترجاع الحقائق هو تميز قابل للفصل عبر اتجاه واحد تقريبًا في حالة هذا النموذج.
RQ2: عدم الاستقرار الهندسي
الدوران الاتجاهي: على الرغم من القابلية المثالية للفك في نموذج RL، فإن الاتجاه المحدد الذي يحمل التمييز لم يظل مستقرًا.
متوسط تشابه جيب التمام لاتجاه المتوسط بين النماذج الأساسية ونماذج RL بلغ 0.453 (الوسيط 0.492).
متوسط تشابه جيب التمام لاتجاه المسبار بلغ 0.445 (الوسيط 0.439).
انخفض الحد الأدنى للتشابه إلى ~0.17، مما يشير إلى شبه تعامد في بعض الطبقات.
انزياح التمثيل: انزاح التمثيل الأوسع أيضًا بشكل كبير. زاد انزياح التمثيل (1 - تشابه جيب التمام للحالات الخفية) مع العمق، ليصل إلى 0.511 في الطبقة الأخيرة (الطبقة 28).
الحفاظ على القابلية للفك: من الأهمية بمكان أن المسبار المدرب على تمثيل RL لا يزال يحقق AUROC = 1.00.
الاستنتاج: المعلومات التي تميز مجموعات المهام محفوظة بعد RL، ولكن الإحداثيات الهندسية (متجه الاتجاه المحدد) المستخدمة لترميز تلك المعلومة قد أعيد تنظيمها بشكل جوهري.
المساهمات الرئيسية
بروتوكول محكم: انتقل المؤلف من المقارنات غير المنضبطة لمجموعات البيانات (التي كانت مشوشة بطول الرموز) إلى تقييم صارم متعدد المجموعات ومطابق للطول (400 مثال) لعزل التمثيل الدلالي عن الميزات السطحية.
المقارنة المباشرة بين المقدرات: قارنت الدراسة مباشرة بين اتجاهات فرق المتوسط (إحصاءات مغلقة الصيغة) مقابل اتجاهات المسبار المتعلمة (التحسين التمييزي) عبر جميع طبقات الـ 28، ووجدت أنها متوافقة للغاية (~0.85 تشابه جيب التمام) ولكنها متميزة.
الفصل بين المعلومة والهندسة: تقدم الورقة دليلًا تجريبيًا على أن الحفاظ على المعلومة لا يعني الحفاظ على الهندسة. يمكن أن يكون الاتجاه فاصلًا صالحًا في حالة نموذج واحدة، ولكنه قد يكون متميزًا هندسيًا (مدورًا) في حالة RL اللاحقة، حتى لو ظلت المعلومة قابلة للفك تمامًا.
الأهمية والادعاءات
تقدم الورقة ادعاءً متواضعًا ومحددًا فيما يتعلق بافتراض "الاتجاه الثابت" المستخدم في طرق مثل DiRL:
رفض الثبات: تتحدى الدراسة الافتراض بأن الاتجاه المستخرج قبل RL هو ثابت ميكانيكي. المتجه المحدد الذي يُعرف بأنه "اتجاه الاستنتاج" في النموذج الأساسي ليس هو نفس المتجه في نموذج GRPO المدرب.
التحقق من القابلية للفك: تؤكد الدراسة أن المعلومات المتعلقة بالتمييز بين الاستنتاج واسترجاع الحقائق تظل متاحة في الحالات الخفية بعد RL.
الآثار المترتبة على طرق RL: يجادل المؤلف بأن تفسير اتجاه ما قبل RL كمرتكز هندسي ثابت ومستمر هو افتراض تجريبي يجب قياسه، وليس افتراضه مسبقًا. وبينما قد يظل المرساة الثابت مفيدًا تشغيليًا لتوجيه الاستكشاف (كما تقترح DiRL)، إلا أنه لا ينبغي افتراض أنه يمثل نفس المحور الميكانيكي طوال فترة التدريب.
التمييز: تدعم النتائج فرضية أن الاستنتاج يمكن تمثيله بواسطة اتجاه في حالة نموذج واحدة، لكنها تفند فرضية أن هذا الاتجاه يظل ثابتًا عبر تدخلات التدريب.
يصرح المؤلف صراحةً بأنه لا يدعي اكتشاف "عصبون استنتاج" سببي أو أنه أثبت تغير الحساب الأساسي؛ بل يوضح أن التحقيق الهندسي للتمثيل يتغير بينما تظل القابلية للفك للتمييز قائمة.