Abstract
Reinforcement Learning with Verifiable Rewards (RLVR) enhances reasoning of Large Language Models (LLMs) but usually exhibits limited generation diversity due to the over-incentivization of positive rewards. Although methods like Negative Sample Reinforcement (NSR) mitigate this issue by upweighting penalty from negative samples, they may suppress the semantic distributions shared between positive and negative responses. To boost reasoning ability without losing diversity, this paper proposes negative sample projection Residual Reinforcement Learning (ResRL) that decouples similar semantic distributions among positive and negative responses. We theoretically link Lazy Likelihood Displacement (LLD) to negative-positive head-gradient interference and derive a single-forward proxy that upper-bounds representation alignment to guide conservative advantage reweighting. ResRL then projects negative-token hidden representations onto an SVD-based low-rank positive subspace and uses projection residuals to modulate negative gradients, improving reasoning while preserving diversity and outperforming strong baselines on average across twelve benchmarks spanning Mathematics, Code, Agent Tasks, and Function Calling. Notably, ResRL surpasses NSR on mathematical reasoning by 9.4\% in Avg@16 and 7.0\% in Pass@128. Code is available at https://github.com/1229095296/ResRL.git.
한국어 요약
📋 한 줄 요약
**[LLM 강화학습]** 부정 토큰의 표현을 양의 부분공간 잔차로 투영해 다양성을 보존하면서 추론 능력을 향상시키는 ResRL을 제안한다.
🎯 핵심 기여도
- Lazy Likelihood Displacement(LLD)와 부정-양 헤드 그래디언트 간섭의 이론적 연결 도출
- 표현 정렬도 상한을 잡는 단일 forward proxy를 통해 보수적 어드밴티지 재가중을 유도
- SVD 기반 저랭크 양 부분공간으로의 투영 잔차로 부정 그래디언트를 변조하는 ResRL 제시
- 12개 벤치마크(수학·코드·에이전트·함수 호출)에서 NSR 등 강력 베이스라인 능가
💡 핵심 아이디어
부정 샘플 강화는 다양성에 도움이 되지만 양·부정이 공유하는 의미 분포를 함께 억제한다. 양 표현이 만드는 저차원 부분공간에 부정 표현을 투영해 ‘공통 의미’를 빼고 ‘차이만’ 페널티에 사용한다.
🔬 기술적 접근법
- **모델/방법론**: ResRL — RLVR 위에서 동작하는 부정 샘플 투영 잔차 RL
- **핵심 기법**: ① 양 응답 히든의 SVD로 저랭크 양 부분공간 추출 ② 부정 토큰 히든을 해당 부분공간에 투영해 잔차 계산 ③ 잔차 크기에 비례해 부정 그래디언트 강도 조정 ④ LLD 상한 proxy로 보수적 어드밴티지 재가중 적용.
📊 주요 결과
- 수학 추론에서 NSR 대비 Avg@16 +9.4%, Pass@128 +7.0%
- 12개 벤치마크 평균에서 강력한 RLVR/NSR 베이스라인 일관 능가
- 양·부정 의미 공유 영역의 억제가 줄어 응답 다양성 보존
💭 의의 및 한계
**의의**: RLVR의 ‘다양성 붕괴’ 문제에 대한 표현 기하 기반의 원리적 해결책 제공. **한계**: SVD/투영 비용이 추가되며, 저랭크 부분공간 차원 등 하이퍼파라미터에 민감할 수 있음.
🚀 실용적 활용
- 추론 LLM의 RL 사후훈련 단계에서 다양성-성능 트레이드오프 개선
- Pass@k가 중요한 코드·수학 자동 풀이 시스템
- 함수 호출/에이전트 응답의 견고성과 다중성 동시 확보