Belief or Circuitry? Causal Evidence for In-Context Graph Learning

Katharine Kowalyshyn, Timothy Duggan, Daniel Little, Michael C Hughes

arXiv:2605.08405 · 2026-05-12 공개 · arXiv · PDF

in-context-learning causal-intervention graph-learning pca-analysis induction-circuits graph-random-walk latent-structure llm-internal-representation

Abstract

How do LLMs learn in-context? Is it by pattern-matching recent tokens, or by inferring latent structure? We probe this question using a toy graph random-walk across two competing graph structures. This task's answer is, in principle, decidable: either the model tracks global topology, or it copies local transitions. We present two lines of evidence that neither account alone is sufficient. First, reconstructing the internal representation structure via PCA reveals that at intermediate mixture ratios, both graph topologies are encoded in orthogonal principal subspaces simultaneously. This pattern is difficult to reconcile with purely local transition copying. Second, residual-stream activation patching and graph-difference steering causally intervene on this graph-family signal: late-layer patching almost fully transfers the clean graph preference, while linear steering moves predictions in the intended direction and fails under norm-matched and label-shuffled controls. Taken together, our findings are most consistent with a dual-mechanism account in which genuine structure inference and induction circuits operate in parallel.

한국어 요약

📋 한 줄 요약

**[Mechanistic Interpretability / In-Context Learning]** 그래프 랜덤워크 토이 태스크와 인과적 개입 기법으로, LLM의 인-컨텍스트 학습이 국소 패턴 매칭과 잠재 구조 추론이 병렬로 작동하는 이중 메커니즘임을 보였다.

🎯 핵심 기여도

💡 핵심 아이디어

LLM의 인-컨텍스트 학습을 '국소 패턴 매칭'이냐 '구조 추론'이냐의 이분법으로 보지 말고, 두 메커니즘이 동시에 직교 부분공간에서 작동하는 이중 시스템으로 봐야 한다.

🔬 기술적 접근법

📊 주요 결과

💭 의의 및 한계

**의의**: 인-컨텍스트 학습의 작동 방식을 단일 가설이 아닌 병렬 메커니즘으로 재정의한 인과적 증거를 제공한다. **한계**: 토이 그래프 환경에 한정된 결과로, 자연어 추론에서의 일반화는 추가 연구가 필요하다.

🚀 실용적 활용