LLM-LERNLABOR
WP II Naturwissenschaften · Klasse 9100 % offline
Ein interaktiver Blick hinter die Antworten

Wie lernt eine KI, was sie antworten soll?

Von Tokens über Attention bis zur „Belohnung“: Erkunde die wichtigsten Bausteine eines Sprachmodells. Du brauchst keine Programmierkenntnisse.

Beim Antworten
Text→Tokens→Transformer
↳Wahrscheinlichkeiten→nächstes Token↻
Beim Trainieren
Vorhersagefehler→Gewichte verändern
Antworten bewerten→Verhalten anpassen
Antworten und Lernen sind unterschiedliche Vorgänge. Dein Klick in dieser App trainiert kein echtes LLM.
01 · Der Eingang

Wörter werden zu Tokens

Ein Sprachmodell sieht keine Buchstaben wie du. Bevor es rechnen kann, wird Text in kleinere Einheiten zerlegt und als Zahlen dargestellt.

ca. 2 Minuten

Experiment: Ein Satz, mehrere Tokens

Mögliche Zerlegung didaktisch

Die gezeigten Token-Grenzen sind Beispiele, keine Ausgabe eines echten Tokenizers. Unterschiedliche LLMs verwenden unterschiedliche Tokenisierungen.
Was passiert intern?

Tokens sind zunächst IDs

Jedes Token bekommt eine Nummer. Eine gelernte Tabelle ordnet dieser Nummer einen Zahlenvektor zu – ein sogenanntes Embedding.

Token-ID → [0,2 ; −0,7 ; 1,1 ; …]

In diesem Vektorraum verarbeitet das Modell Zahlen statt Wörter. Ein Token ist nicht immer ein vollständiges Wort: Auch Wortteile und Satzzeichen können Tokens sein.

Merksatz

Ein LLM verarbeitet Zahlenvektoren, nicht unmittelbar Wörter.

02 · Die Rechenmaschine

Neuronales Netz oder Matrix – was ist der Unterschied?

Die Zeichnung mit Neuronen und die Rechnung mit Matrizen zeigen dasselbe. Probiere aus, wie Zahlen durch ein winziges neuronales Netz wandern.

ca. 5 Minuten
Ein KreisEin Rechenknoten (Neuron)
Eine LinieEine Verbindung mit Gewicht
Eine ganze SchichtViele Rechnungen in einer Matrix
Schau zu: Was passiert im Netz?

Start: Zwei Zahlen gehen hinein

Die Kreise links stehen für zwei Eingabewerte.

EINGABE SCHICHT 1 SCHICHT 2
positives Gewichtnegatives Gewichtnoch nicht verarbeitet

Die aufleuchtenden Verbindungen veranschaulichen die Zahlenweitergabe. Reale künstliche Neuronen senden keine sichtbaren Lichtimpulse; die Rechnung erfolgt numerisch.

Dieselbe Rechnung als Zahlen

Zuerst: Der Eingabevektor

Wir verwenden zwei Zahlen als Eingang. Eine Schicht ersetzt sie durch neue Zahlen.

Das solltest du erkennen

Die Linien in der Grafik sind die Zahlen der Gewichtsmatrix. Ein Neuron multipliziert Eingänge mit Gewichten, addiert und wendet anschließend eine Funktion an. Eine ganze Schicht macht das gleichzeitig für viele Neuronen.

Und im Transformer?

Dort gibt es sehr viel größere trainierte Matrizen und viele Schichten. Auch die Vektoren für Query, Key und Value werden durch solche Matrixrechnungen erzeugt. Attention berechnet anschließend zusätzlich Verbindungen, deren Stärke vom aktuellen Text abhängt.

Merksatz

Das neuronale Netz ist die Architektur; die Gewichtsmatrizen beschreiben seine gelernten Verbindungen. Das Bild mit leuchtenden Neuronen und die Matrixform sind zwei Ansichten derselben Rechnung.

03 · Informationen verbinden

Attention: Wie nutzen Wörter ihren Kontext?

Ein Wort allein verrät oft wenig. Das Modell kombiniert deshalb Informationen aus verschiedenen Stellen eines Satzes. Wir verfolgen, was dabei herauskommt – noch ohne Formeln.

ca. 5 Minuten
Worum geht es überhaupt?

Aus „jagt“ wird eine Darstellung von „jagt im Zusammenhang mit dem bisherigen Satz“.

Ein LLM verarbeitet nicht einfach Wörter, sondern Zahlenvektoren. Attention erzeugt für jede Tokenposition einen neuen Vektor, in den Informationen anderer, erlaubter Positionen einfließen. Der Vektor ist noch kein neues Wort.

vorhandene Tokenvektoren→Informationen gewichten und mischen→neuer Vektor je Position
Schritt 1 · Eine Tokenposition auswählen

Unser Beispielsatz: „Hund jagt Katze“

Wir tun so, als wäre jedes Wort genau ein Token. Wähle eine Position durch Antippen. Die späteren Wörter sind zwar auf dem Bildschirm zu sehen, dürfen für diese Position aber nicht verwendet werden.

Die Information fließt von erlaubten Tokenpositionen in einen neuen Zahlenvektor:
Animierte Linien zeigen die gewichteten Value-Beiträge. Gesperrte Positionen liefern keinen Beitrag. Das ist eine schematische Darstellung.
Schritt 2 · Informationen einsammeln

Von welcher Position kommt wie viel?

Das Modell berechnet für jede erlaubte Tokenposition einen Anteil. Die Informationen dieser Positionen werden entsprechend gewichtet – nicht die Wörter selbst.

Lesart: Wenn „Hund“ beispielsweise 80 % erhält, heißt das: Sein Value-Vektor geht mit dem Gewicht 0,8 in die Mischung ein. Das ist keine 80%ige Wahrscheinlichkeit, dass „Hund“ das Subjekt ist oder die Antwort stimmt.
Schritt 3 · Ein neuer Zahlenvektor entsteht

Was passiert mit diesen Anteilen?

↪

Erst später wird ein neues Token erzeugt. Viele solcher Attention- und weiteren Rechenschritte bilden einen Transformer. Erst an dessen Ausgang berechnet das LLM Wahrscheinlichkeiten für das nächste Token. Das siehst du im nächsten Modul.

Und was sind Q, K und V?

Eine Anfrage, ein Vergleich und die übertragene Information

Für jede Tokenposition entstehen drei Zahlenvektoren. Wir verarbeiten gerade „jagt“.

Q
Query – die Anfrage

Die Position „jagt“ bringt einen Suchvektor mit: Welche Informationen anderer Positionen passen dazu?

K
Key – der Vergleichsschlüssel

Auch „Hund“ besitzt einen Key-Vektor. Das Modell vergleicht Q von „jagt“ mit K von „Hund“ – und ebenso mit den übrigen erlaubten Keys.

V
Value – das Weitergegebene

Die Value-Vektoren liefern die gewichteten Zahlenbeiträge für den neuen Vektor.

Nicht verwechseln: Q ist nicht die gesamte Texteingabe. K ist nicht einfach ein Wort. Q, K und V sind aus den aktuellen Tokenrepräsentationen berechnete Vektoren.

Was bleibt fest, was ändert sich?

Die trainierten Rechenmatrizen WQ, WK und WV bleiben beim Antworten unverändert. Die daraus berechneten Q-, K- und V-Vektoren und die Attention-Gewichte hängen vom aktuellen Kontext ab.

Für Neugierige: Die Rechnung (optional)

Aus den aktuellen Tokenrepräsentationen X entstehen durch trainierte Matrizen:

Q = X · WQ, K = X · WK, V = X · WV

Mit Q und K wird die Stärke der Verbindungen berechnet. Softmax macht daraus positive Anteile mit Summe 100 %. Gesperrte zukünftige Positionen erhalten 0 %.

A = softmax(QKᵀ / √dk + Maske)
Y = A · V

Hier berechnet das Mini-Modell mit zwei Zahlen pro Vektor. Die Zahlen sind für die Demonstration vorgegeben, nicht von einem echten LLM trainiert.

Q der gewählten Position:
Ergebnis Y:

Wofür ist das nützlich?

Drei Beispiele aus der Sprache

Wer ist gemeint?

„Der Hund ist müde. Er schläft.“

Für die Darstellung von „Er“ können Informationen aus „Hund“ hilfreich sein.
Was bedeutet das Wort?

„Ich sitze auf der Bank.“
„Ich überweise zur Bank.“

Der unterschiedliche Kontext kann zu unterschiedlichen Bedeutungsrepräsentationen führen.
Was gehört zusammen?

„Anna ist größer als Ben. Ben ist größer als Clara.“

Das Modell kann Beziehungen zwischen mehreren Positionen verarbeiten. Das korrekte Schlussfolgern braucht mehr als Attention allein.
Merksatz

Attention wählt kein fertiges Antwortwort aus. Sie berechnet aus dem aktuellen Satz Gewichte für Informationsbeiträge und daraus neue Vektoren. Bei generierenden Modellen können dabei keine zukünftigen Tokenpositionen verwendet werden.

04 · Die Ausgabe

Das nächste Token vorhersagen

Ein generatives Sprachmodell berechnet mögliche Fortsetzungen und ihre Wahrscheinlichkeiten. Nach einem gewählten Token kann es auf dieser Grundlage das nächste vorhersagen.

ca. 3 Minuten

Experiment: Gleicher Text, verschiedene Fortsetzungen

Niedrig: stärker bevorzugte TokensHoch: breitere Auswahl
Das Experiment wartet auf deine Auswahl.
Was lernen wir daraus?

Wahrscheinlich heißt nicht wahr

Ein LLM kann eine richtige, eine ungenaue oder auch eine erfundene Fortsetzung erzeugen. Es überprüft bei der Tokenvorhersage nicht automatisch, ob eine Behauptung stimmt.

Versuche das Beispiel mit dem erfundenen Metall: Auch für Begriffe, zu denen keine zuverlässigen Fakten vorliegen, lassen sich plausible Zahlen ausgeben.

Die Prozentwerte stammen aus einem erfundenen Demonstrationsmodell, nicht aus ChatGPT. Wir betrachten nur fünf mögliche Tokens; echte Modelle besitzen sehr viel größere Vokabulare.
Für Neugierige: Was macht die Temperatur?

Aus den Beispielwahrscheinlichkeiten p bilden wir neue Gewichte proportional zu p1/T und normieren sie erneut. Niedrige Temperatur konzentriert die Auswahl, hohe verteilt sie gleichmäßiger. Das erzeugt keine zusätzlichen Fakten.

Merksatz

Eine plausible Fortsetzung ist noch kein Beleg für eine richtige Aussage.

05 · Das Grundtraining

Wie lernt ein LLM aus Fehlern?

Beim Pretraining sind in großen Textmengen die tatsächlich folgenden Tokens bekannt. Das Modell soll diese immer besser vorhersagen – ohne dass Menschen jede Fortsetzung einzeln bewerten müssen.

ca. 3 Minuten

Experiment: Den Vorhersagefehler verkleinern

Trainingssatz: „Ein Jahr hat zwölf …“
Das erwartete nächste Token lautet „Monate“.

Trainingsschritte0
Wahrscheinlichkeit „Monate“33,3 %
Loss (Fehlerwert)1,099
Dies ist eine echte Softmax-/Loss-Rechnung mit einer stark vereinfachten Lernregel: Wir ändern direkt drei Ausgabewerte. In echten LLMs verändert Backpropagation die Gewichte des gesamten Netzes.
Zwei wichtige Begriffe

Loss und Backpropagation

Loss: Eine Zahl, die ausdrückt, wie schlecht die Vorhersage zum bekannten Trainingsziel passt. Hier gilt für das korrekte Token:

Loss = −ln(P(richtiges Token))

Backpropagation: Mathematische Ableitungen zeigen, in welche Richtung die Netzgewichte verändert werden sollten. Ein Optimierer macht kleine Schritte in diese Richtung.

So entstehen Sprachmuster, Zusammenhänge und viel statistisches Wissen. Das Modell bekommt aber dadurch keine eingebaute Garantie für Wahrheit.

Merksatz

Pretraining belohnt im übertragenen Sinn gute Vorhersagen – gemessen wird jedoch ein Vorhersagefehler, nicht automatisch die Wahrheit einer Antwort.

06 · Das Verhalten als Assistent

Was hat es mit „Belohnung“ auf sich?

Nach dem Grundtraining kann ein Modell weiter angepasst werden: Menschen oder Bewertungssysteme beurteilen, welche Antworten als Assistenzleistung besser sind.

ca. 4 Minuten

Experiment: Du bist die bewertende Person

So läuft Post-Training vereinfacht ab
2 Antworten→Vergleich
Präferenzsignal→Modell anpassen

Beim klassischen RLHF (Reinforcement Learning from Human Feedback) lernt zunächst ein Bewertungsmodell, menschliche Präferenzen einzuschätzen. Das Sprachmodell wird anschließend so optimiert, dass es häufiger hoch bewertete Antworten gibt.

Andere Verfahren, zum Beispiel DPO, können Präferenzvergleiche auch direkter für das Training verwenden.

Eine hohe Belohnung ist kein Wahrheitsbeweis. Bewertende Menschen können irren, und Bewertungssysteme können oberflächliche Merkmale bevorzugen – etwa selbstsicher formulierte Antworten.
Merksatz

Pretraining lernt Fortsetzungen. Post-Training formt das Antwortverhalten. Beides ersetzt keine unabhängige Überprüfung.

07 · Der Transfer

Wissenscheck: Kannst du es unterscheiden?

Beantworte sieben kurze Fragen. Du erhältst sofort eine Erklärung. Hier geht es nicht um Fachwörter auswendig lernen, sondern um die Konsequenzen für den Umgang mit KI.

ca. 4 Minuten
Dein Ergebnis
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Noch keine Frage beantwortet.

Die wichtigste Frage bei KI-Ergebnissen:

Was kann ich selbst kontrollieren – und wo fehlt mir noch das Wissen für eine zuverlässige Prüfung?

Das Netz Berechnet aus Tokens kontextabhängige Repräsentationen.
Das Grundtraining Verringert den Fehler bei der nächsten Tokenvorhersage.
Das Nachtraining Bevorzugt erwünschtes Antwortverhalten – keine Wahrheitsgarantie.
Modul 1 von 6