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대형언어모델의 수학 능력, 단순 암기인가 진짜 추론인가?

 

대형언어모델의 수학 능력에 대한 의문 OpenAI, Anthropic, DeepMind 등 유명 AI 연구소들이 개발한 GPT-4, Claude, Gemini 등 최신 대형언어모델들은 수학 문제 풀이에서 인상적인 성과를 보여주고 있습니다. 하지만 이들의 수학 실력이 과연 진짜 추론에 의한 것인지, 아니면 단순히 학습 데이터를 암기해서 답을 맞추는 것인지에 대한 의문이 제기되어 왔습니다.

GSM8k와 GSM1k를 통한 Scale AI의 실험 이에 대해 Scale AI의 연구진들이 흥미로운 실험을 진행했습니다. 기존의 수학 벤치마크인 **GSM8k(Grade School Math 8,000)와 유사하지만 완전히 새로운 문제 1,000개로 구성된 GSM1k(Grade School Math 1,000)**를 만들어, 다양한 언어모델들의 성능을 평가한 것입니다. GSM8k는 초등학교 수준의 산술 문제 8,000개로 이루어진 공개 데이터셋입니다. 만약 모델이 GSM8k에서는 좋은 점수를 얻지만 GSM1k에서는 낮은 점수를 얻는다면, 이는 암기에 의존한다는 증거가 될 수 있습니다.

일부 모델에서 관찰된 과적합 현상 실험 결과, Mistral이나 Phi 등 일부 모델 군에서는 이런 '과적합(overfitting)' 현상이 뚜렷하게 관찰되었습니다. 과적합이란 모델이 학습 데이터에 지나치게 맞춰져, 새로운 데이터에 잘 일반화되지 못하는 현상을 말합니다. 예를 들어, 모델이 GSM8k의 문제와 정답을 그대로 암기해 높은 점수를 얻었지만, 유사하지만 새로운 문제인 GSM1k에서는 성능이 크게 떨어진다면 과적합되었다고 볼 수 있습니다.

최신 모델들의 진정한 추론 능력 시사 반면 Claude, GPT, Gemini 등 최신 모델들은 GSM8k와 GSM1k에서 비슷한 높은 성능을 보여, 진정한 추론 능력이 있음을 시사했습니다. 특히 Claude 3는 과적합 징후가 거의 없이 우수한 성적을 거뒀습니다.

GSM8k 예제 생성 확률과 과적합의 상관관계 추가 분석 결과, 모델이 GSM8k 예제를 생성할 확률과 GSM8k/GSM1k 성능 차이 사이에 양의 상관관계가 있는 것으로 나타났습니다. 이는 많은 모델들이 GSM8k를 부분적으로 기억하고 있을 가능성을 시사합니다.

데이터 오염 외의 과적합 요인 가능성 하지만 데이터 오염만으로 과적합을 모두 설명할 수는 없어 보입니다. 가장 과적합된 모델 중 하나인 Math-Shepherd-Mistral은 GSM8k 생성 확률이 상대적으로 낮았기 때문입니다. 연구진은 보상 모델링 과정에서 올바른 풀이 방식에 대한 정보가 유출되었을 가능성을 제기했습니다.

과적합 문제 고려와 새로운 벤치마크의 중요성 이번 연구는 언어모델의 수학 실력을 평가할 때 과적합 문제를 반드시 고려해야 함을 보여줍니다. 아울러 충분히 강력한 모델은 데이터 오염에도 불구하고 일반화된 추론 능력을 갖출 수 있음을 시사합니다. GSM1k와 같은 새로운 벤치마크를 통해 모델의 진정한 능력을 더욱 정확히 가늠할 수 있을 것으로 기대됩니다.

(** 참고 아래 내용은 AI 타임즈에서 최근에 포스팅한 내용을 Claude 3 Opus로 분석하여 조금더 이하기 쉽게 요약한 내용임을 밝힙니다.  (https://www.aitimes.com/news/articleView.html?idxno=159380)  **)

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