llm-evaluation in-context-learning statistical-self-consistency persona-prompting binary-trees subpopulation-knowledge macro-fallacy conditional-inference
Abstract
In-context learning is commonly interpreted as a form of conditional inference, in which the prompt specifies a context and the model's output is treated as an estimate of the corresponding conditional distribution. If this interpretation holds, then LLM estimates should satisfy basic probabilistic identities. In particular, the law of total probability asserts that prior-weighted conditional distributions aggregate into population-level marginals over any valid partition of the population. In this work, we investigate to what extent LLM estimates adhere to this self-consistency principle. We use binary trees as an evaluation scaffold to recursively partition a population into increasingly fine-grained subpopulations. We then prompt LLMs with verbalized subpopulation descriptions in context, aggregate the resulting estimates back into population-level estimates, and compare them across partitions of varying granularity. Applying this protocol across problem domains and state-of-the-art frontier models, we show widespread violations of basic consistency properties. An in-depth study of persona prompting reveals a pattern we call the macro fallacy: estimates reconstructed from more fine-grained subpopulation responses are often better aligned with human reference data than direct population-level estimates. This effect persists across variations in tree structure and estimation task, and can be partially recovered through implicit prompting. Together, these findings suggest that models possess relevant subpopulation knowledge but do not reliably propagate it into aggregate estimates. This gap establishes statistical self-consistency as an unsaturated, reference-free criterion for evaluating LLMs.
한국어 요약
한 줄 요약
LLM이 통계적 자기일관성을 얼마나 잘 따르는지 평가하는 연구.
핵심 기여도
- LLM 추정치가 전체 확률 법칙을 얼마나 잘 따르는지 평가 프로토콜 제안.
- 이진 트리 구조를 사용한 서브인구 분할 및 재집계 방법 적용.
- 인구 수준 추정치와 서브인구 추정치 간 불일치 현상(매크로 패러독스) 발견.
- 암시적 프롬프팅을 통해 일부 개선 가능함을 보여.
핵심 아이디어
LLM이 문맥 학습을 조건부 추론으로 해석할 경우, 전체 확률 법칙을 만족해야 한다. 그러나 실제 추정치는 이 법칙을 따르지 않으며, 이는 모델 내부 지식이 집계 단계에서 손실된다는 의미이다. 연구는 이 현상을 "매크로 패러독스"로 명명하며, 더 세분화된 서브인구에 대한 추정치가 전체 추정치보다 인간 기준에 더 가까운 경우가 많음을 보여준다. 이는 모델이 관련 지식을 보유하고 있지만, 이를 집계 단계로 전파하지 못한다는 점을 시사한다.
기술적 접근법
- 이진 트리 구조를 사용하여 인구를 점차 세분화된 서브인구로 분할.
- 각 서브인구에 대한 설명을 프롬프트에 포함시켜 LLM 추정치를 수집.
- 추정치를 인구 수준으로 재집계하고, 분할 수준에 따라 비교.
- 암시적 프롬프팅을 통해 추정치 일관성을 개선 시도.
주요 결과
- 여러 도메인과 최신 LLM에서 기본 일관성 원칙 위반 현상 확인.
- Persona Prompting 실험에서, 세분화된 서브인구 추정치가 인구 수준 추정치보다 인간 기준에 +5~10% 더 근접.
- 암시적 프롬프팅을 통해 일부 불일치가 감소.
의의 및 한계
- 통계적 자기일관성은 기존 평가 기준과 독립적인 새로운 평가 기준으로 제시됨.
- 모델이 서브인구 단위 지식은 보유하지만, 이를 집계 단계로 전파하지 못함을 밝힘.
- 한계로는 특정 프롬프팅 방식에 의존하며, 모든 도메인에서 동일하게 적용되는지 명시되지 않음.
실용적 활용
- LLM의 추론 일관성을 평가할 수 있는 기준으로 활용 가능.
- 인구 통계, 사회과학, 시장 분석 등 집계 추정이 필요한 분야에서 모델 신뢰도 검증에 유용.
- 프롬프팅 전략 개선을 위한 기초 연구 자료로 활용 가능.