A Comedy of Estimators: On KL Regularization in RL Training of LLMs
Notice bibliographique
Résumé
The reasoning performance of large language models (LLMs) can be substantially improved by training them with reinforcement learning (RL). The RL objective for LLM training involves a regularization term, which is the reverse Kullback-Leibler (KL) divergence between the trained policy and the reference policy. Since computing the KL divergence exactly is intractable, various estimators are used in practice to estimate it from on-policy samples. Despite its wide adoption, including in several open-source libraries, there is no systematic study analyzing the numerous ways of incorporating KL estimators in the objective and their effect on the downstream performance of RL-trained models. Recent works show that prevailing practices for incorporating KL regularization do not provide correct gradients for stated objectives, creating a discrepancy between the objective and its implementation. In this paper, we further analyze these practices and study the gradients of several estimators configurations, revealing how design choices shape gradient bias. We substantiate these findings with empirical observations by RL fine-tuning \texttt{Qwen2.5-7B}, \texttt{Llama-3.1-8B-Instruct} and \texttt{Qwen3-4B-Instruct-2507} with different configurations and evaluating their performance on both in- and out-of-distribution tasks. Through our analysis, we observe that, in on-policy settings: (1) estimator configurations with biased gradients can result in training instabilities; and (2) using estimator configurations resulting in unbiased gradients leads to better performance on in-domain as well as out-of-domain tasks. We also investigate the performance resulting from different KL configurations in off-policy settings and observe that KL regularization can help stabilize off-policy RL training resulting from asynchronous setups.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,009 | 0,068 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,002 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,002 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,003 |
| Communication savante | 0,002 | 0,004 |
| Science ouverte | 0,002 | 0,004 |
| Intégrité de la recherche | 0,003 | 0,006 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,003 | 0,001 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».