Why Multi-Step Tool-Use Reinforcement Learning Collapses and How Supervisory Signals Fix It

Yupu Hao, Zhuoran Jin, Huanxuan Liao, Kang Liu, Jun Zhao

arXiv:2606.26027 · 2026-06-26 공개 · arXiv · PDF

reinforcement-learning llm-training tool-use agentic-rl multi-step-tasks supervisory-signals sft-rl-interleaving rl-collapse

Abstract

Tool use enables large language models (LLMs) to perform complex tasks, and recent agentic reinforcement learning (RL) methods show promise for enhancing model capabilities. However, RL alone often leads to instability or limited gains in tool-use tasks. In our experiments, some models exhibit catastrophic collapse, where performance abruptly drops and tool-invocation structures fail. The analysis reveals that these failures stem from unexpected probability spikes in specific control tokens, disrupting structured execution, yet the underlying tool-use capability remains intact, merely obscured by specific formats. To address this, we systematically investigate a diverse set of supervisory signals, including off-policy supervision, hint-based guidance, erroneous example supervision, and others, applied under both synchronous and interleaved training schemes. We find that interleaving supervised fine-tuning (SFT) with RL substantially improves stability, but exhibits degraded performance under format and content out-of-distribution (OOD) evaluation. We also analyze the impact of learning rates and generalization across settings. These results highlight the importance of understanding RL failures and demonstrate how diverse supervisory signals can guide exploratory learning, enabling robust training of LLMs for complex, multi-step tool-use tasks. Our Code is available at https://github.com/hypasd-art/Tool-RL-Box.

한국어 요약

한 줄 요약

다중 단계 도구 사용 강화 학습에서 붕괴 현상을 분석하고 지도 신호로 안정화 방법을 제시한다.

핵심 기여도

핵심 아이디어

도구 사용 강화 학습에서 모델이 갑작스럽게 성능을 잃는 붕괴 현상은 특정 제어 토큰의 확률이 급격히 증가하면서 실행 구조가 붕괴되기 때문이었다. 이는 도구 사용 능력 자체는 유지되지만, 실행 형식이 파괴되어 나타나는 현상이다. 이를 해결하기 위해 다양한 지도 신호를 도입하고, SFT와 RL을 교차 훈련하는 방식을 제안한다. 이는 강화 학습의 탐색 과정을 안정적으로 유도함으로써 복잡한 다중 단계 도구 사용 작업에서의 학습 안정성을 높인다.

기술적 접근법

주요 결과

의의 및 한계

이 연구는 강화 학습 기반 도구 사용 시 발생하는 붕괴 현상의 근본 원인을 명확히 규명하고, 다양한 지도 신호를 통한 안정화 전략을 제시함으로써 LLM의 복잡한 작업 수행 능력을 향상시키는 데 기여한다. 그러나 교차 훈련 방식은 형식 및 내용의 OOD 상황에서 성능이 저하되며, 이는 실제 적용 시 한계로 작용할 수 있다.

실용적 활용

이 연구는 대규모 언어 모델이 복잡한 도구 사용 작업을 안정적으로 수행하도록 훈련하는 데 활용될 수 있다. 특히, 자동화 시스템, 챗봇, 인공지능 에이전트 개발 등에서 강화 학습과 지도 신호를 결합한 훈련 전략을 적용할 수 있다.