llm-capability llm-tool-use tool-call-behavior knowing-doing-gap cognition-action-gap arithmetic-qa factual-qa hidden-state-probing
Abstract
Large language models (LLMs) increasingly act as autonomous agents that must decide when to answer directly vs. when to invoke external tools. Prior work studying adaptive tool use has largely treated tool necessity as a model-agnostic property, annotated by human or LLM judge, and mostly cover cases where the answer is obvious (e.g., fetching the weather vs. paraphrasing text). However, tool necessity in the wild is more nuanced due to the divergence of capability boundaries across models: a problem solvable by a strong model on its own may still require tools for a weaker one. In this work, we introduce a model-adaptive definition of tool-necessity, grounded in each model's empirical performance. Following this definition, we compare the necessity against observed tool-call behavior across four models on arithmetic and factual QA dataset, and find substantial mismatches of 26.5-54.0% and 30.8-41.8%, respectively. To diagnose the failure, we decompose tool use into two stages: an internal cognition stage that reflects whether a model believes a tool is necessary, and an execution stage that determines whether the model actually makes a tool-call action. By probing the LLM hidden states, we find that both signals are often linearly decodable, yet their probe directions become nearly orthogonal in the late-layer, last-token regime that drives the next-token action. By tracing the trajectory of samples in the two-stage process, we further discover that the majority of mismatch is concentrated in the cognition-to-action transition, not in cognition itself. These results reveal a knowing-doing gap in LLM tool-use: improving tool-use reliability requires not only better recognition of when tools are needed, but also better translation of that recognition into action.
한국어 요약
📋 한 줄 요약
**[LLM Agents / Tool Use]** 모델별 능력에 따라 정의되는 model-adaptive tool necessity 개념을 도입하고, LLM이 "도구가 필요함을 알지만 실제로 호출하지 않는" knowing-doing gap을 정량·기제적으로 분석한다.
🎯 핵심 기여도
- 도구 필요성을 사람/LLM 판정에 의존하던 기존 model-agnostic 정의에서 벗어나, 각 모델의 경험적 성능에 근거한 model-adaptive tool necessity 정의 제안
- 산술/사실 QA에서 4개 모델에 대해 정의된 필요성과 실제 도구 호출 행위 간 큰 불일치(각각 26.5–54.0%, 30.8–41.8%)를 측정
- 도구 사용을 internal cognition(필요하다고 믿는가)과 execution(실제 호출 행동) 두 단계로 분해, hidden state probing으로 두 신호의 표현 구조 분석
- 불일치가 cognition→action 전이 구간에 집중됨을 실증, "아는 것 vs 행동하는 것"의 격차를 정밀하게 위치 추적
💡 핵심 아이디어
같은 문제도 강한 모델은 도구 없이 풀 수 있고 약한 모델은 도구가 필요할 수 있다. 따라서 "도구가 필요한지"는 모델에 따라 달라지는 속성이며, 이 정의를 기준으로 보면 LLM의 도구 사용 실패는 인식의 문제가 아니라 인식을 행동으로 옮기는 단계의 실패가 다수다.
🔬 기술적 접근법
- **모델/방법론**: 4개의 LLM을 산술 및 사실 QA 데이터셋에서 평가, 모델별 성능 기반의 tool necessity 정의 적용
- **핵심 기법**: cognition/execution 2-stage 분해, hidden state에 대한 linear probing으로 두 신호의 방향성(orthogonality) 분석, 샘플별 trajectory 추적을 통한 mismatch 위치 식별
📊 주요 결과
- 산술 QA에서 모델별 mismatch 26.5–54.0%, 사실 QA에서 30.8–41.8% 관찰
- cognition·execution 신호 모두 linearly decodable이지만, late-layer/last-token에서 거의 직교하는 표현 방향을 가짐
- mismatch 대다수가 cognition→action 전이에서 발생함을 trajectory 분석으로 입증
💭 의의 및 한계
**의의**: LLM tool-use 신뢰성 향상을 위해 단순히 "필요성 인식 학습"만 강화해서는 부족하고, 인식의 행동 전환에 개입해야 함을 보여줌. **한계**: 분석은 4개 모델·두 도메인에 한정, 실제 에이전트 환경의 복잡한 도구 생태계로의 일반화는 추가 연구 필요.
🚀 실용적 활용
- 도구 사용 reliability 개선을 위한 actuation 단계 RLHF·튜닝 설계 지침
- 에이전트 자체 평가/감독에서 cognition vs execution 분리 진단
- 모델별 capability boundary에 기반한 동적 도구 호출 정책 설계