TL;DR:本文推导出在稀疏奖励的情况下, 标准 SFT 的训练目标其实是 RL 目标的一个(松的)下界,为了收紧这个下界同时保持训练稳定,作者引入了一个桥梁分布 来进行调节。最终在形式上得到了一个重要性加权版本的 SFT 目标。

论文链接:https://arxiv.org/abs/2507.12856

一、SFT 的优化目标是 RL 的下界

首先,我们通过目标函数的推导,将 SFT 和 RL 联系起来。

RL 策略梯度算法中,训练策略模型 的目标函数为:

其中 是一条采样轨迹,是轨迹的 的累积奖励, 是参数化模型 采样得到轨迹 的概率, 是一组轨迹的集合。

我们知道,RL 和 SFT 最主要的差异就是训练数据的分布。SFT 中,我们是有一组固定的标注数据,比如人类手写的回复或者预训练大模型生成的回复,SFT 在这些标注数据上进行模仿学习的训练。从 RL 的视角来看,相当于离线地从某个参考分布 中采样轨迹 ,然后过滤出其中优质的样本。RL 的数据则是在线地采样当前模型的回复,根据奖励函数给出的奖励值优化策略模型,提升高奖励值的样本被采样出的概率。

为了将 RL 和 SFT 联系起来,我们首先对 RL 训练目标 (式 1)应用重要性采样, 将期望的分布从在线采样的 (其实写作 更方便对比理解?)转换为离线采样的 :

接下来一步是关键,对重要性采样的系数
应用不等式 :

这里绿色部分都是与参数 无关的,可以把他们都放在一个常数项中。

在 SFT 的设定下,我们只有 “好的” 回复数据。从 RL 的视角来看,这可以理解为我们有一个打分函数 能够区分出好的回复和差的回复,并据此构建一个奖励函数 ,只对打分值为正的样本给出奖励值 1,其他样本奖励值均为 0。这个稀疏的奖励函数可以从完整采样空间 中 过滤出 “好的” 回复数据 。这里的 就是 SFT 设定下的标注数据集,从而有:

上式右侧就是标准的 SFT 目标函数,至此我们推导出结论:在稀疏奖励的设定下,SFT 的优化目标是 RL 的一个下界。

从 RL 的视角来看,这个结论说明标准的 SFT 训练确实是会有一定效果的,因为它真的在优化 RL 策略梯度目标的一个下界。但是,SFT 目标作为一个下界,影响性能的另一个关键点在于这个下界够不够 “紧”。

遗憾的是,标准 SFT 情况下,这个下界可能不够紧,并且在训练过程中,随着 与 的差异越来越大,这个下界会越来越松,即离真正的 RL 目标越来越远。更遗憾的是,在标准的 SFT 中,我们无法调整和优化这个下界紧的程度,因为在式 2 中,没有任何可以由我们自主调整的项。

二、引入桥梁分布 q

现在我们已经推导出 SFT 的优化目标是 RL 的一个下界,但是也发现随着训练的进行这个下界越来越松。那么我们应该如何调整 SFT 的训练目标才能改进这一点呢?

iw SFT 的方案是:引入一个辅助分布 ,作为一个可调整的项,选择合适的 ,在收紧这个下界的同时,保持训练的稳定,从而优化 SFT 的训练。

具体来说,我们引入一个辅助分布 ,这个分布的形式可以随便选,具体怎么选,涉及到稳定训练与收紧下界的权衡,后面会讨论。现在有了这个辅助分布,我们可以将 RL 的训练目标 重写为:

对 应用同样的不等式,得到:

这样就得到了一个重要性加权(Importance Weighted) 的 SFT 形式 iw SFT:

这个形式相比于原来的 SFT 目标,多了一个权重系数 ,其中 是固定的,但是 是我们可以自由设置的,通过调整辅助分布 ,我们就可以收紧这个下界。接下来的关键问题就是:如何选择分布 的形式呢?

三、如何选择 q

我们先来看一下 iw sft 的性质。不等式 当且仅当 时取得等号,当 趋近于 时, 趋近于 1,从而趋近于 RL 目标 。也就是说分布 越接近于 ,iw sft 作为 的下界越紧,这是我们想要的。

但是如果简单地取 ,那么随着训练的进行 又会离 越来越远,方差越来越大,重要性采样变得不稳定,最终导致训练不稳定。因此,我们在追求更紧下界的同时, 还要保证 和 差异不要太大,即 ,以稳定训练。这是基于重要性采样的这类方法要面临的经典问题。

总之,分布 具体形式的选择,既要尽可能接近 ,从而保证下界足够紧,又不能离 太远,从而保证方差比较小,来稳定训练。最终,作者采用了如下的形式:

其中 是策略模型参数 的一个时间滞后(可以直接更新也可以 EMA 更新)的版本,这样就能保证训练过程中 与 比较接近,从而有比较紧的下界。同时,在训练过程中,还需要约束重要性权重来控制 的迭代(从而间接地控制 ),从而保证训练的稳定性。具体如何约束呢?作者提出了两种不同的方案。

第一种方案是每步裁剪重要性权重。要将重要性权重控制在一个范围内,直接裁剪是最直接的方式,在 token 维度裁剪:

然后对轨迹维度的重要性权重进行一个整体的裁剪:

第二种方案是平滑重要性权重。通过在轨迹维度对重要性权重进行平滑,来保证其方差较低。具体来说,取:

其中 是轨迹 中 token 的索引, 是一个单调递减函数。

这两种约束方法的细节可以在原文实验部分查看。iw SFT 的具体算法如下所示,其中关键就是权重系数 的计算。

四、例子

思考一个多臂老虎机的例子,有两个选项:拉左杆和拉右杆,奖励函数是:对于拉右杆一定给出 1 的奖励值,而对于拉左杆则有 50% 概率奖励值为 1,50% 的概率奖励值为 0:

显然,上帝视角下,最优的策略是一直拉右杆。

假设我们的参考策略是等概率地选择拉左杆和拉右杆 ,那么在 SFT 的设定下,我们从 过滤出好的()动作组成数据集 。在这种均匀分布的参考策略下, 的数据中,拉右杆的次数会是拉左杆的两倍,即 1/3 拉左杆和 2/3 拉右杆。

接下来,如果我们在数据集 上进行标准的 SFT 训练,最终学习到的模型 会有 1/3 的概率拉左杆,2/3 的概率拉右杆,这样最终得到的期望奖励值为 5/6。虽然相较于参考策略好了不少,但离最优策略还有差距。这里 SFT 学习不到最优策略的的原因很明显:SFT 无法有效地利用(被过滤掉的)负样本的信息。所以说虽然 SFT 目标是在优化 RL 目标的一个下界,并且可以在参考策略的基础上进一步提升,但最终还是无法通向最优的策略。

而如果我们引入重要性加权的 iw sft,就会在目标函数中自适应地给拉右杆分配更高的权重,直到最终策略收敛到每次都是拉右杆。在这个例子中,iw sft 一定程度上隐式地恢复并利用了负样本的信息。

个人理解,从输入的角度来看,iw sft 的优势在于用到了 的信息。

本文从 RL 和 SFT 各自的目标函数形式入手,推导出了在稀疏奖励的情况下,SFT 的目标是 RL 的一个下界。并提出通过引入桥梁分布 来收紧这个下界,同时约束重要性权重的范围,维持训练稳定。本文对于我们深入理解 SFT 和 RL 训练的本质和区别很有帮助。

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