自动优化Prompt：Automatic Prompt Engineering的3种方法

引言

记得Zero-Shot COT^[1]里的那句Let's think step by step吗？最近谷歌通过OPRO^[2]找到了更好的一句：Take a deep breath and work on this
problem step-by-step，让GSM8K的结果直接从71.8% -> 80.2%。

好的prompt可以激发LLM的最大潜能，从而在下游任务取得好的效果。

Prompt的魅（玄）力（学）就在这里。在LLM还不够“聪明”之前，人类通过prompt
engineering来驯服LLM。

本文介绍3种automatic prompt engineering框架：APE^[3]、APO^[4]以及OPRO^[2]。给定一个训练集，定义好评价指标，运行automatic
prompt engineering框架之后，将自动得到能取得最佳效果的prompt。

无论是想“提分”、还是想优化LLM标注器的效果、或是想根据用户反馈来优化Prompt进而提升产品体验，这些方法都可以借鉴。

APE：candidate -> selection -> resample

APE的核心思路是：从候选集中选出好的prompt，再在好的prompt附近进行试探性地搜索。

APE可分为以下3个步骤。

第一步：生成prompt candidates

生成prompt的工作也交给了无所不能的LLM，作者介绍了2大类生成方式：

·forward mode。常规生成模式，提供一些任务examples，让LLM在最后生成prompt。示例如下。

·reverse mode。即insert模式，将待生成的prompt放到examples前面，让LLM用填空的方式写prompt。示例如下。

直观理解，reverse mode更加自然，forward mode则更加考验模型的instruction following能力。

补充：GPT系列支持insert模式；Open
AI的这篇论文^[5]讲解了insert模式的实现原理。

第二步：在训练集上打分，并保留高分prompt

打分方式有两种：

Execution accuracy。在训练集上执行prompt后，得到的任务metric（如Accuracy、F1等）

Log probability。不使用任务metric，而是评估生成desired answer的概率

实验表明，Execution
accuracy的效果更好。

另外，这一步如果在全量训练集上评估，则开销非常大，因此作者提出一种multi-stage策略。大致思想是先在少量subset上评估，然后过滤掉比较差的，循环这一过程直到候选集足够小，此时再在全量训练集上进行评价、挑选。

第三步：在高分prompt附近进行采样，模拟Monte-Carlo Search过程

这一步核心是尝试性地resample，生成语义相似的prompt，看看能否取得更好的效果。这一过程是可迭代的。

resample的工作仍然交由LLM，其prompt如下。

作者实验发现，对于比较难的任务，进行resample能够进一步提升效果。

APO：gradient descent in language space

APO的核心思路是在文本空间实现gradient
descent过程。

总体而言，APO分为以下3个步骤。

第一步：得到当前prompt的“gradient”

给定一批error samples（当前prompt无法预测正确的），让LLM给出当前prompt预测错误的原因，这一原因即文本形式的“gradient”。

生成gradient的prompt如下。

第二步：应用“gradient”，得到new prompt

这一步还分为2个子步骤：

·子步骤1：使用LLM来edit原来的prompt，目标是修复“gradient”。给到LLM的prompt如下。

·子步骤2：和APE一样，进行resample，扩充相似语义的prompt。

第三步：挑选出好的prompt，进入下一轮迭代

这里面临的问题和APE一样：如果在全量训练集上评估各个prompt，花销太大。

作者提到，挑选prompt的过程就是多臂老虎机问题。

·n arms对应n个prompt candidates

·在任务数据集上的表现是这个arm的hidden
value

·pulling这个动作对应在随机采样的数据上评估prompt的效果

因此，作者试验了3种bandit selection技术：UCB、UCB-E和Successive Rejects。实验表明，UCB和UCB-E的效果比较好。

最后，需要补充的是，APO在每轮迭代中，最外层包含一个beam search过程，以便强化探索。

更详细的内容请读者参阅原论文。

OPRO：LLM as optimizer

APO本质上也是在构建一个optimizer，但其框架是参照gradient decent来设计的。

而谷歌提出的OPRO，其思路更为原生。

OPRO的核心思路是让LLM基于过往的迭代记录、优化目标，自己总结规律，逐步迭代prompt，整个过程在文本空间上完成。

OPRO框架如下。

·使用meta-prompt，让LLM成为Optimizer LLM。meta-prompt包含两个核心部分：一个是solution-score pairs，即以往的迭代路径，包括solution（即prompt） + 分数（任务表现），实践中按照分数大小，从低到高排列top20的结果；另一个是task description，包含一些任务的examples、优化的目标等。GSM8K任务上的meta-prompt如下。

基于对过往迭代规律的理解，Optimizer LLM生成新的solution。即将meta-prompt给到Optimizer
LLM，生成的内容即为新的solution。在实践中，为了提升优化的稳定性，这一步重复了8次。

在Scorer LLM上应用prompt（即新的solution），评估效果并记录到meta-prompt中，然后继续下一轮迭代。注意，这里的Scorer LLM是实际使用prompt的LLM，与Optimizer
LLM可以是不同的。

当效果无法再提升、或者到达预先给定的step上限，整个迭代过程停止。返回得分最高的prompt作为优化结果。

OPRO的定位是基于文本的optimizer，prompt optimization只是其应用场景之一，论文作者还在linear
regression和traverling salesman problem上进行了实验。

总结

本文介绍了3种automatic prompt engineering框架，其中APE的主要思路是挑选+试探性优化，优化的方向性较弱；APO和OPRO则应用了更完整的optimizer框架，其中APO基于gradient descent，本质是基于error case来调优，而OPRO直接依靠LLM的逻辑推理能力，基于迭代过程的规律进行优化。

理论上，这些框架对各类任务（分类、抽取、生成等）是通用的，只需定义好评价指标即可。

因此，只要你的场景里使用了Prompt，都可以考虑使用这些方法、或者借鉴这些方法的思路。例如：在benchmark上提分、优化LLM标注器的效果、根据用户反馈优化Prompt等等。

以第三点为例，读者可以根据用户的反馈数据，训练一个reward model作为评价者，运行automatic prompt
engineering框架，优化现有的Prompt，这一点和RLHF有异曲同工之处。

出自：https://mp.weixin.qq.com/s/kbZZUoTjLGyU59B3strwVg