【LangChain学习之旅】—（6） 提示工程（下）：用思维链和思维树提升模型思考质量

Reference：LangChain 实战课

什么是 Chain of Thought

CoT 这个概念来源于学术界，是谷歌大脑的 Jason Wei 等人于 2022 年在论文《Chain-of-Thought Prompting Elicits Reasoning in Large Language Models（自我一致性提升了语言模型中的思维链推理能力）》中提出来的概念。它提出，如果生成一系列的中间推理步骤，就能够显著提高大型语言模型进行复杂推理的能力。

Few-Shot CoT

Few-Shot CoT 简单的在提示中提供了一些链式思考示例（Chain-of-Thought Prompting），足够大的语言模型的推理能力就能够被增强。简单说，就是给出一两个示例，然后在示例中写清楚推导的过程。

论文中给出了一个大模型通过思维链做数学题的示例。图左和图右，大模型都读入了 OneShot 示例，但是图左只给出了答案，而图右则在 OneShot 示例中给出了解题的具体思路。结果，只给出了答案的模型推理错误，而给出解题思路后，同一个模型生成了正确的答案。

在三种大型语言模型的实验中，CoT 在一系列的算术、常识和符号推理任务中都提高了性能。在 GSM8K 数学问题基准测试中，通过 CoT 指导后，大模型的表现可以达到当时最先进的准确性。

CoT 从概念上非常容易理解，从应用上非常容易操作。虽然简单，但这种思想可以给我们的开发过程带来很多启发。

比如，假设我们正在开发一个 AI 花店助手，它的任务是帮助用户选择他们想要的花，并生成一个销售列表。在这个过程中，我们可以使用 CoT 来引导 AI 的推理过程。

1. 问题理解：首先，AI 需要理解用户的需求。例如，用户可能会说：“今天要参加朋友的生日 Party，想送束花祝福她。”我们可以给 AI 一个提示模板，里面包含示例：“遇到 XX 问题，我先看自己有没有相关知识，有的话，就提供答案；没有，就调用工具搜索，有了知识后再试图解决。”—— 这就是给了 AI 一个思维链的示例。
2. 信息搜索：接下来，AI 需要搜索相关信息。例如，它可能需要查找哪些花最适合生日派对。
3. 决策制定：基于收集到的信息，AI 需要制定一个决策。我们可以通过思维链让他详细思考决策的流程，先做什么后做什么。例如，我们可以给它一个示例：“遇到生日派对送花的情况，我先考虑用户的需求，然后查看鲜花的库存，最后决定推荐一些玫瑰和百合，因为这些花通常适合生日派对。”—— 那么有了生日派对这个场景做示例，大模型就能把类似的思维流程运用到其它场景。
4. 生成销售列表：最后，AI 使用 OutputParser 生成一个销售列表，包括推荐的花和价格。

在这个过程中，整体上，思维链引导 AI 从理解问题，到搜索信息，再到制定决策，最后生成销售列表。这种方法不仅使 AI 的推理过程更加清晰，也使得生成的销售列表更加符合用户的需求。具体到每一个步骤，也可以通过思维链来设计更为详细的提示模板，来引导模型每一步的思考都遵循清晰准确的逻辑。

其实 LangChain 的核心组件 Agent 的本质就是进行好的提示工程，并大量地使用预置的 FewShot 和 CoT 模板。这个在之后的课程学习中我们会理解得越来越透彻。

Zero-Shot CoT

下面的这两个 CoT 提示模板的例子，来自于 Google Research 和东京大学的论文《Large Language Models are Zero-Shot Reasoners》。

图中的（d）示例非常非常有意思，在 Zero-Shot CoT 中，你只要简单地告诉模型“让我们一步步的思考（Let’s think step by step）”，模型就能够给出更好的答案！

不由得让我联想起最简单的提示工程，角色设定——模型回答之前，先告诉它“你是一个很有经验的 XX 专家”，模型应该就会在开始胡说八道之前三思。

简单总结一下：Few-Shot CoT，指的就是在带有示例的提示过程中，加入思考的步骤，从而引导模型给出更好的结果。而 Zero-Shot CoT，就是直接告诉模型要一步一步地思考，慢慢地推理。

Chain of Thought 实战

现在，就让我带着你完成一次 Chain of Thought 的 LangChain 应用开发实战。

项目需求：在这个示例中，你正在开发一个 AI 运营助手，我们要展示 AI 如何根据用户的需求推理和生成答案。然后，AI 根据当前的用户请求进行推理，提供了具体的花卉建议并解释了为什么选择这些建议。

在这个过程中，AI 需要理解客户的需求之后，按部就班的思考，然后给出最符合逻辑的回答。

CoT 的模板设计

针对这个聊天机器人的需求，设计了下面这样的思维链模板。

作为一个为花店电商公司工作的 AI 助手，我的目标是帮助客户根据他们的喜好做出明智的决定。

我会按部就班的思考，先理解客户的需求，然后考虑各种鲜花的涵义，最后根据这个需求，给出我的推荐。

同时，我也会向客户解释我这样推荐的原因。

示例 1： 人类：我想找一种象征爱情的花。
AI：首先，我理解你正在寻找一种可以象征爱情的花。在许多文化中，红玫瑰被视为爱情的象征，这是因为它们的红色通常与热情和浓烈的感情联系在一起。因此，考虑到这一点，我会推荐红玫瑰。红玫瑰不仅能够象征爱情，同时也可以传达出强烈的感情，这是你在寻找的。

示例 2： 人类：我想要一些独特和奇特的花。
AI：从你的需求中，我理解你想要的是独一无二和引人注目的花朵。兰花是一种非常独特并且颜色鲜艳的花，它们在世界上的许多地方都被视为奢侈品和美的象征。因此，我建议你考虑兰花。选择兰花可以满足你对独特和奇特的要求，而且，兰花的美丽和它们所代表的力量和奢侈也可能会吸引你。

AI 的模板开始于对其角色的阐述，并给出了一些先前的对话示例（Few-Shot Learning）来帮助 AI 理解如何处理这种类型的请求。这些示例展示了 AI 如何根据思维链进行思考，给出深思熟虑之后的答案。

程序的完整框架

程序的完整代码如下：

# 设置环境变量和API密钥
import os
os.environ["OPENAI_API_KEY"] = '你的OpenAI API Key'

# 创建聊天模型
from langchain.chat_models import ChatOpenAI
llm = ChatOpenAI(temperature=0)

# 设定 AI 的角色和目标
role_template = "你是一个为花店电商公司工作的AI助手, 你的目标是帮助客户根据他们的喜好做出明智的决定"

# CoT 的关键部分，AI 解释推理过程，并加入一些先前的对话示例（Few-Shot Learning）
cot_template = """
作为一个为花店电商公司工作的AI助手，我的目标是帮助客户根据他们的喜好做出明智的决定。 

我会按部就班的思考，先理解客户的需求，然后考虑各种鲜花的涵义，最后根据这个需求，给出我的推荐。
同时，我也会向客户解释我这样推荐的原因。

示例 1:
  人类：我想找一种象征爱情的花。
  AI：首先，我理解你正在寻找一种可以象征爱情的花。在许多文化中，红玫瑰被视为爱情的象征，这是因为它们的红色通常与热情和浓烈的感情联系在一起。因此，考虑到这一点，我会推荐红玫瑰。红玫瑰不仅能够象征爱情，同时也可以传达出强烈的感情，这是你在寻找的。

示例 2:
  人类：我想要一些独特和奇特的花。
  AI：从你的需求中，我理解你想要的是独一无二和引人注目的花朵。兰花是一种非常独特并且颜色鲜艳的花，它们在世界上的许多地方都被视为奢侈品和美的象征。因此，我建议你考虑兰花。选择兰花可以满足你对独特和奇特的要求，而且，兰花的美丽和它们所代表的力量和奢侈也可能会吸引你。
"""
from langchain.prompts import ChatPromptTemplate, HumanMessagePromptTemplate, SystemMessagePromptTemplate
system_prompt_role = SystemMessagePromptTemplate.from_template(role_template)
system_prompt_cot = SystemMessagePromptTemplate.from_template(cot_template)

# 用户的询问
human_template = "{human_input}"
human_prompt = HumanMessagePromptTemplate.from_template(human_template)

# 将以上所有信息结合为一个聊天提示
chat_prompt = ChatPromptTemplate.from_messages([system_prompt_role, system_prompt_cot, human_prompt])

prompt = chat_prompt.format_prompt(human_input="我想为我的女朋友购买一些花。她喜欢粉色和紫色。你有什么建议吗?").to_messages()

> 这里是引用

# 接收用户的询问，返回回答结果
response = llm(prompt)
print(response)

程序中，首先设置环境变量 OpenAI 的 API 密钥，以便能够使用 OpenAI 的 GPT-4 模型。然后创建聊天模型：通过调用ChatOpenAI类，创建了一个聊天模型。设置 temperature=0 可以让模型生成更确定性的回答，即输出更倾向于最可能的结果。

接着定义了 AI 的角色和目标，该 AI 为花店电商公司的助手，其目标是根据客户的喜好来提供购买建议。紧接着，定义 CoT 模板，其中包括了 AI 的角色和目标描述、思考链条以及遵循思考链条的一些示例，显示了 AI 如何理解问题，并给出建议。

之后，使用 PromptTemplate 的 from_template 方法，来生成相应的询问模板。其中包括用于指导模型的SystemMessagePromptTemplate和用于传递人类问题的 HumanMessagePromptTemplate。

然后，我使用了 ChatPromptTemplate.from_messages 方法，整合上述定义的角色，CoT 模板和用户询问，生成聊天提示。

最后，将生成的聊天提示输入模型中，获得模型的回答，并打印出来。

在 Few-Shot CoT 提示的指引之下，模型针对我们的问题，从问题中的具体需求出发，返回了不错的建议。

现在，根据你的需求：你正在寻找你的女朋友喜欢的粉色和紫色的花。

首先，我从理解你的需求出发，只会推荐粉色或紫色，或者两者的组合的花。这些可能包括粉色的玫瑰，紫色的兰花，或者是粉色和紫色的花的混合花束。玫瑰是象征爱情和亲情的经典符号，而兰花象征着美丽和力量。这两种花都蕴含很棒的内涵。当然了，无论你选择哪种花卉，重要的是表达出你对她的爱和关心。记得附上一张温馨的贺卡，写下你的真挚祝福。

Tree of Thought

CoT 这种思想，为大模型带来了更好的答案，然而，对于需要探索或预判战略的复杂任务来说，传统或简单的提示技巧是不够的。基于 CoT 的思想，Yao 和 Long 等人几乎在同一时间在论文《Tree of Thoughts: Deliberate Problem Solving
with Large Language Models》和《Large Language Model Guided Tree-of-Thought》中，进一步提出了思维树（Tree of Thoughts，ToT）框架，该框架基于思维链提示进行了总结，引导语言模型探索把思维作为中间步骤来解决通用问题。

ToT 是一种解决复杂问题的框架，它在需要多步骤推理的任务中，引导语言模型搜索一棵由连贯的语言序列（解决问题的中间步骤）组成的思维树，而不是简单地生成一个答案。ToT 框架的核心思想是：让模型生成和评估其思维的能力，并将其与搜索算法（如广度优先搜索和深度优先搜索）结合起来，进行系统性地探索和验证。

ToT 框架为每个任务定义具体的思维步骤和每个步骤的候选项数量。例如，要解决一个数学推理任务，先把它分解为 3 个思维步骤，并为每个步骤提出多个方案，并保留最优的 5 个候选方案。然后在多条思维路径中搜寻最优的解决方案。

这种方法的优势在于，模型可以通过观察和评估其自身的思维过程，更好地解决问题，而不仅仅是基于输入生成输出。这对于需要深度推理的复杂任务非常有用。此外，通过引入强化学习、集束搜索等技术，可以进一步提高搜索策略的性能，并让模型在解决新问题或面临未知情况时有更好的表现。

下面我们应用 ToT 的思想，给出一个鲜花运营方面的示例。

假设一个顾客在鲜花网站上询问：“我想为我的妻子购买一束鲜花，但我不确定应该选择哪种鲜花。她喜欢淡雅的颜色和花香。”

AI（使用 ToT 框架）：

思维步骤 1：理解顾客的需求。顾客想为妻子购买鲜花。顾客的妻子喜欢淡雅的颜色和花香。

思维步骤 2：考虑可能的鲜花选择。
候选 1：百合，因为它有淡雅的颜色和花香。
候选 2：玫瑰，选择淡粉色或白色，它们通常有花香。
候选3：紫罗兰，它有淡雅的颜色和花香。
候选 4：桔梗，它的颜色淡雅但不一定有花香。
候选 5：康乃馨，选择淡色系列，它们有淡雅的花香。

思维步骤 3：根据顾客的需求筛选最佳选择。百合和紫罗兰都符合顾客的需求，因为它们都有淡雅的颜色和花香。淡粉色或白色的玫瑰也是一个不错的选择。桔梗可能不是最佳选择，因为它可能没有花香。康乃馨是一个可考虑的选择。

思维步骤 4：给出建议。“考虑到您妻子喜欢淡雅的颜色和花香，我建议您可以选择百合或紫罗兰。淡粉色或白色的玫瑰也是一个很好的选择。希望这些建议能帮助您做出决策！”

这个例子，可以作为 FewShot 示例之一，传递给模型，让他学着实现 ToT。

通过在具体的步骤中产生多条思考路径，ToT 框架为解决复杂问题提供了一种新的方法，这种方法结合了语言模型的生成能力、搜索算法以及强化学习，以达到更好的效果。

总结

• CoT 的核心思想是通过生成一系列中间推理步骤来增强模型的推理能力。在 Few-Shot CoT 和 Zero-Shot CoT 两种应用方法中，前者通过提供链式思考示例传递给模型，后者则直接告诉模型进行要按部就班的推理。
• ToT 进一步扩展了 CoT 的思想，通过搜索由连贯的语言序列组成的思维树来解决复杂问题。我通过一个鲜花选择的实例，展示了如何在实际应用中使用 ToT 框架。在 GitHub 上有一个 Repo，专门给大家介绍 ToT 的应用方法和实例，他们还给出了几个非常简单的通用 ToT 提示语，就像下面这样。

请你模拟三位出色、逻辑性强的专家合作回答一个问题。每个人都详细地解释他们的思考过程，考虑到其他人之前的解释，并公开承认错误。在每一步，只要可能，每位专家都会在其他人的思考基础上进行完善和建设，并承认他们的贡献。他们继续，直到对问题有一个明确的答案。为了清晰起见，您的整个回应应该是一个 Markdown 表格。
问题是…