1. 背景与动机¶
在大语言模型（LLM）的后训练阶段，常用方法是 RLHF (Reinforcement Learning with Human Feedback)。其中 PPO (Proximal Policy Optimization) 被广泛使用（如 InstructGPT、ChatGPT）。 然而，PPO 存在以下问题：
- 训练不稳定：奖励模型噪声较大，容易导致 collapse 或奖励 hacking。
- 样本效率低：LLM 每次采样成本高，而 PPO 在收集 trajectories 时利用不足。
- 对比性弱：奖励模型提供的信号常常绝对化，无法刻画相对偏好。
为解决这些问题，提出了 GRPO (Group Relative Policy Optimization)。 它的核心思想是：利用相对比较（preference）而非绝对奖励值，构造组内归一化的优势函数，提升训练稳定性和样本效率。
2. 技术原理与数理表达¶
2.1 算法思想¶
- 将候选生成结果按组（group）进行比较。
- 通过组内排序或相对奖励差异来构造 优势函数 A。
- 策略更新时不依赖单一奖励模型输出，而是依赖 相对偏好分布。
2.2 数学定义¶
设策略 \(\pi_\theta(y|x)\) 生成文本 \(y\)，输入为 \(x\)。 奖励模型给出得分 \(r(y|x)\)。
在 GRPO 中，对于同一提示 \(x\)，生成一组候选 \({y_1, y_2, \dots, y_K}\)，形成 group \(G\)。 定义归一化相对优势：
\[
A(y_i) = \frac{r(y_i) - \mu_G}{\sigma_G + \epsilon}
\]
其中 \(\mu_G, \sigma_G\) 分别是组内均值和标准差。
策略优化目标为：
\[
L^{GRPO}(\theta) = \mathbb{E}_{x,G}\left[ \sum_{y_i \in G} \min \left(
\rho_\theta(y_i) A(y_i), \; \text{clip}(\rho_\theta(y_i), 1-\epsilon, 1+\epsilon) A(y_i)
\right) \right]
\]
其中
- \(\rho_\theta(y_i) = \frac{\pi_\theta(y_i|x)}{\pi_{\theta_{\text{old}}}(y_i|x)}\) 是重要性采样比。
- 类似 PPO，引入 clip 防止更新过大。
- 与 PPO 不同的是，优势函数来源于 组内相对奖励。
2.3 直观理解¶
- PPO：依赖单个样本的绝对奖励，噪声大。
- GRPO：依赖一组样本的相对奖励，减少了奖励模型误差影响。
3. 与 PPO / TRPO 的对比¶
| 特性 | TRPO | PPO | GRPO |
|---|---|---|---|
| 策略约束 | KL约束，保证单步收敛性 | Clipping 近似约束 | Clipping + Group 相对奖励 |
| 奖励信号 | 绝对奖励 | 绝对奖励 | 组内相对奖励 |
| 样本效率 | 中等 | 较高 | 更高 |
| 收敛稳定性 | 高，但计算量大 | 较好，仍可能 collapse | 更稳定 |
| LLM 应用 | 不常用（计算过大） | 主流（ChatGPT） | 新兴（减少奖励 hacking，偏好更一致） |
4. 训练过程¶
-
数据来源
- Prompt 来自人工设计或合成任务。
- 策略模型生成多样化候选答案。
-
奖励模型
- 基于人类偏好数据训练。
- 输出相对分数，而不是绝对 reward。
-
分组采样
- 对每个 prompt，采样 \(K\) 个候选结果形成 group。
-
相对优势计算
- 组内归一化：\(A(y_i) = \frac{r(y_i)-\mu_G}{\sigma_G}\).
-
策略更新
- 使用 GRPO 损失函数进行反向传播。
-
迭代训练
- 更新策略模型，重复采样-训练流程。
5. 伪代码¶
# GRPO Training Pseudocode
for iteration in range(num_iters):
batch_prompts = sample_prompts()
groups = []
for x in batch_prompts:
candidates = [policy.generate(x) for _ in range(K)]
rewards = [reward_model(x, y) for y in candidates]
mu = mean(rewards)
sigma = std(rewards) + eps
advantages = [(r - mu) / sigma for r in rewards]
groups.append((x, candidates, advantages))
loss = 0
for (x, candidates, advantages) in groups:
for y, A in zip(candidates, advantages):
rho = policy_prob(y|x) / old_policy_prob(y|x)
clipped = clip(rho, 1 - eps, 1 + eps)
loss += -min(rho * A, clipped * A)
optimizer.zero_grad()
loss.backward()
optimizer.step()
6. 示例¶
GRPO 核心机制：组内相对奖励优化
Prompt: "Explain quantum computing"
├── Candidate 1 → r=0.8
├── Candidate 2 → r=0.6
├── Candidate 3 → r=0.2
└── Candidate 4 → r=0.9
组均值 μ=0.625, σ=0.25
A1=(0.8-0.625)/0.25=+0.7
A2=-0.1
A3=-1.7
A4=+1.1
这样避免了绝对值差异过大或奖励噪声导致的不稳定更新。
总结¶
- GRPO (Group Relative Policy Optimization) 是对 PPO 的改进，将奖励从绝对值转为组内相对优势，提升稳定性和样本效率。
- 在 LLM RLHF 中尤其有效，减少奖励 hacking 和模式坍缩。
- 与 PPO 相比：更稳定、更节省样本，但计算成本稍高（需要组采样）。
- 已逐渐成为 LLM 后训练的重要优化方法。