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VLAarXiv:2510.15047

自己対戦ファインチューニングによるエージェントRLのための世界モデル内在化

Internalizing World Models via Self-Play Finetuning for Agentic RL

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LLMエージェントに状態表現と遷移モデルからなる内部世界モデルを自己対戦SFTで学習させ、方策最適化前に未来状態をシミュレートすることでOOD環境でのRL性能を大幅に向上させる手法SPAを提案。

詳しい要約

1. どんなもの?

- LLMエージェントを対象とした強化学習(RL)フレームワーク「SPA」の提案 - 環境のダイナミクスを内部化するworld modelをLLMに持たせる狙い - world modelをstate representationとtransition modelingの2要素に分解して獲得 - Self-Play supervised finetuning(SFT)でworld modelを学習するcold-startを導入 - 学習したworld modelで将来状態をシミュレートしてからpolicy optimizationを行う - Sokoban、FrozenLake、Sudokuなどの環境で評価

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

- OOD環境ではvanilla RLのPass@kが学習中に低下し、探索が脆く汎化が限定的という問題を指摘 - model-based reinforcement learningに着想を得て、LLMエージェントに内部world modelを持たせる発想 - オンラインでのworld-modelingベースラインを上回る性能を報告 - Self-Play SFTによるcold-startの単純な初期化がRLエージェント訓練を大きく改善 - 具体例としてSokoban成功率25.6%→59.8%、FrozenLakeスコア22.1%→70.9%(Qwen2.5-1.5B-Instruct)

3. 技術・手法の肝は?

- world modelをstate representationとtransition modelingに分解して符号化 - Self-Play supervised finetuning(SFT)段階で環境と相互作用しworld modelを学習するcold-startを実施 - そのworld modelを用いてpolicy optimizationの前に将来状態をシミュレート - モデルベースRLの枠組みをLLMエージェントのRL訓練に組み込む構成 - 詳細なアルゴリズムや報酬設計は要旨からは不明

4. どうやって有効だと検証した?

- Sokoban、FrozenLake、Sudokuという多様な環境で実験 - Qwen2.5-1.5B-Instructを用いて評価 - Sokobanの成功率が25.6%から59.8%へ向上 - FrozenLakeのスコアが22.1%から70.9%へ向上 - オンラインworld-modelingベースラインとの比較で優位性を報告 - 学習中のPass@k低下という現象も指標として観察

5. 議論はある?

- OOD環境におけるLLMエージェントの脆い探索と汎化不足が動機として議論 - world modelの内部化が推論と環境ダイナミクスの整合に寄与するという仮説を提示 - vanilla RLのスケール困難性とPass@k低下の原因分析に言及 - ただし限界や失敗事例、計算コスト、他モデルへの汎化性は要旨からは不明

6. 次に読むべき論文は?

- model-based reinforcement learningの代表的文献(Dynaなど) - LLMエージェント向けworld model研究(オンラインworld-modelingベースライン) - Self-Playを用いたLLMのRL訓練手法 - Sokoban、FrozenLake、Sudokuを用いたエージェントベンチマーク研究 - Qwen2.5-1.5B-Instructなど小型LLMのエージェントRL評価

※ AIが要旨から生成した要約です。正確性は原文をご確認ください。

著者: Shiqi Chen, Tongyao Zhu, Zian Wang, Jinghan Zhang, Kangrui Wang, Siyang Gao, Teng Xiao, Yee Whye Teh, Junxian He, Manling Li

分類: cs.LG, cs.CL

原文アブストラクト

Large Language Models (LLMs) as agents often struggle in out-of-distribution (OOD) scenarios. Real-world environments are complex and dynamic, governed by task-specific rules and stochasticity, which makes it difficult for LLMs to ground their internal knowledge in those dynamics. Under such OOD conditions, vanilla RL training often fails to scale; we observe Pass@k--the probability that at least one of (k) sampled trajectories succeeds--drops markedly across training steps, indicating brittle exploration and limited generalization. Inspired by model-based reinforcement learning, we hypothesize that equipping LLM agents with an internal world model can better align reasoning with environmental dynamics and improve decision-making. We show how to encode this world model by decomposing it into two components: state representation and transition modeling. Building on this, we introduce SPA, a simple reinforcement learning framework that cold-starts the policy via a Self-Play supervised finetuning (SFT) stage to learn the world model by interacting with the environment, then uses it to simulate future states prior to policy optimization. This simple initialization outperforms the online world-modeling baseline and greatly boosts the RL-based agent training performance. Experiments across diverse environments like Sokoban, FrozenLake, and Sudoku show that our approach significantly improves performance. For example, SPA boosts the Sokoban success rate from 25.6% to 59.8% and raises the FrozenLake score from 22.1% to 70.9% for the Qwen2.5-1.5B-Instruct model.

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