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ReSearch：强化学习赋能大模型，推理与搜索的创新融合

大语言模型（LLMs）的推理能力不断提升，却在与外部搜索结合处理复杂问题时遇阻。本文提出的ReSearch框架，借助强化学习让LLMs学会将搜索融入推理，无需推理步骤的监督数据。实验效果惊艳，快来一探究竟它如何突破困境、提升性能！

论文标题
ReSearch: Learning to Reason with Search for LLMs via Reinforcement Learning
来源
arXiv:2503.19470v2 [cs.AI] + https://arxiv.org/abs/2503.19470

代码

https://github.com/Agent-RL/ReCall

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文章核心

研究背景

在当今人工智能领域，大语言模型（LLMs）取得了显著进展，它不仅能依靠自身内部知识，还能借助外部搜索工具检索信息，检索增强生成（RAG）技术也因此备受关注。然而，LLMs在实际应用中仍面临挑战。一方面，许多现实问题复杂，需要多步推理，可设计有效的多步RAG策略却很困难。另一方面，现有多步RAG方法依赖手动提示或启发式规则，扩展性差，且标注推理步骤成本高。此外，强化学习虽能提升推理能力，但在结合推理与外部知识检索方面探索不足。

研究问题

1. 训练LLMs在信息检索时进行交互式推理是研究难题，现有多步RAG方法多依赖手动设计提示或启发式规则，不仅费力，对更复杂问题还缺乏扩展性。

2. 在多步RAG框架中标注推理步骤，成本高且耗时，实际操作困难。

3. 目前基于强化学习提升LLMs推理能力的方法，大多聚焦内部推理，对推理与外部知识检索的有效结合探索不足。

主要贡献

1. 创新框架设计：提出ReSearch框架，将搜索操作视为推理链的一部分，通过强化学习训练LLMs基于文本思考决定何时及如何搜索，且无需推理步骤的监督数据，这与以往方法显著不同。

2. 模型训练与效果验证：在不同规模的Qwen模型上训练ReSearch，在多跳问答基准测试中，相比基线模型有显著性能提升，且仅在一个数据集上训练就能在多个基准测试中表现良好，展现出强大的泛化能力。

3. 推理能力激发：分析训练过程发现，ReSearch能自然激发LLMs的反思和自我纠正等高级推理能力，且不依赖预定义的启发式规则。

方法论精要

在探索大语言模型（LLMs）与外部搜索高效协同的道路上，ReSearch提出了一套别具一格的方法体系，核心在于将搜索操作巧妙融入推理过程，借助强化学习让LLMs自主学会合理运用搜索进行推理。

1. 核心算法/框架： 采用 Group Relative Policy Optimization（GRPO）算法训练 LLMs。在这个框架中，推理链由文本思考（<think></think>）、搜索查询（<search></search>）和检索结果（<result></result>）组成，搜索操作与文本思考相互作用。

2. 关键参数： GRPO算法中有几个关键参数起着至关重要的作用。裁剪比率（ϵ）防止模型在训练过程中“跑偏”，确保训练的稳定性；KL散度系数（β）避免模型策略偏离参考策略太远，保证模型在优化过程中始终保持一定的“稳健性”。这些参数相互配合，共同引导LLMs在训练中不断优化推理与搜索的协同策略。

3. 创新性技术组合： ReSearch的创新之处在于，将搜索操作深度嵌入推理链中。在这个推理链里，不仅有文本思考（用标记），还有搜索查询（<search></search>）和检索结果（<result></result>）。模型会根据前面文本思考的内容，决定何时进行搜索以及搜索什么内容，而搜索结果又会反过来影响后续的文本思考。在计算损失时，ReSearch会对检索结果进行mask处理，避免训练策略偏向检索结果。

4. 实验验证： 使用四个多跳问答基准测试数据集：HotpotQA、2WikiMultiHopQA、MuSiQue 和 Bamboogle。选取两个简单基线（No RAG 和 Naive RAG）以及两个改进多步 RAG 的方法（Iter - RetGen 和 IRCoT）进行对比。这样选取是因为涵盖了直接生成答案、简单检索生成和先进多步 RAG 策略等不同类型，能全面评估 ReSearch 的性能。

实验洞察

性能优势： 在多个多跳问答基准测试中，ReSearch的表现远超各类基线模型。具体数据如下：

• 对于Qwen2.5-7B模型，在衡量回答与正确答案完全匹配程度的Exact Match指标上，相比表现最佳的基线模型，平均提升幅度高达15.81%。在使用LLM-as-a-Judge这种借助其他大语言模型来评判答案正确性的指标中，其平均提升更是达到17.56%。
• Qwen2.5-32B模型同样表现出色，在Exact Match指标上平均提升14.82%，在LLM-as-a-Judge指标上平均提升15.46% 。这表明ReSearch能让模型在不同规模下，都更精准地应对复杂问题，给出高质量答案。

动态性分析： 在训练ReSearch模型的过程中，能观察到模型在推理和搜索策略上的有趣变化：

• 响应长度变化：整体而言，模型的响应长度呈增长态势。以32B模型为例，训练初期因其内部储备知识丰富，倾向于依赖自身生成知识来作答，使得响应较长。随着训练推进，在奖励信号的指引下，模型更多地借助搜索获取信息，响应长度先有所缩短，随后又因对搜索和推理配合的熟练运用而再次变长。
• 搜索操作次数增加：训练期间，模型的搜索操作次数不断增多。这意味着模型逐渐掌握了通过多次迭代搜索来收集信息的技巧，以应对复杂多跳问题，提升问题解决效率。

消融研究： 为探究ReSearch框架各组件的作用，研究人员开展了消融实验，从多个关键指标进行分析：

• 模型行为调整：实验发现模型能够依据奖励信号灵活调整推理和搜索行为。当得到积极奖励时，会强化当前策略；反之，则尝试改变策略，证明奖励机制能有效引导模型优化。
• 指令调整的优势：对比不同模型，经过指令调整的模型在训练初期就能获得更高奖励，后续性能提升也更为显著，体现了指令调整对模型训练的积极作用。
• 综合指标验证：通过对响应长度、搜索操作次数、训练和验证奖励等指标的综合分析，充分验证了ReSearch框架中各组件在提升模型性能方面的有效性，它们相互协作，共同促进模型能力的提升。