We argue that pattern recognition and step-by-step reasoning are two ends of a spectrum. A large language model (LLM) learns to reason step-by-step when data is structured such that the next token depends on a small amount of preceding context. Inference in LLMs resembles pattern recognition when the next token depends on a large amount of preceding context. If the next token depends on only the $c$ most recent tokens, reasoning traces are paths on a De Bruijn graph whose nodes are $c$-length contexts and edges are next-token transitions between contexts. The set of reasoning traces of a task forms a directed acyclic subgraph of the De Bruijn graph. An LLM that has learned all edges of this subgraph can compose them to solve longer, unseen tasks, i.e., it reasons step-by-step. We prove that the number of edges is vanishingly small compared to the number of reasoning traces. Empirically, the number of training samples a transformer needs is a power law in the number of edges, so learning to reason step-by-step is sample efficient. We can induce De Bruijn structure in any task by maintaining a ``state'' that makes future reasoning independent of the past. The frequency of states in the reasoning trace determines $c$. We show, by fine-tuning Qwen2.5-1.5B-Instruct to solve equations and answer questions about stories, that frequent states (small $c$) result in higher accuracy but greater fragility to perturbations at test time. LLMs trained with a large $c$ are only as good as models that perform pattern recognition without reasoning. A moderate density of states balances accuracy and robustness. We show that real-world data has De Bruijn structure: Qwen3-14B and Qwen3-32B retain over 75% of their accuracy on GSM8K, MATH-500 and GPQA-Diamond when attention is restricted to a sliding window less than 15% as long as the full reasoning trace.


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模式识别是一个成熟的、令人兴奋的、快速发展的领域,它支撑着计算机视觉、图像处理、文本和文档分析以及神经网络等相关领域的发展。它与机器学习非常相似,在生物识别、生物信息学、多媒体数据分析和最新的数据科学等新兴领域也有应用。模式识别(Pattern Recognition)杂志成立于大约50年前,当时该领域刚刚出现计算机科学的早期。在这期间,它已大大扩大。只要这些论文的背景得到了清晰的解释并以模式识别文献为基础,该杂志接受那些对模式识别理论、方法和在任何领域的应用做出原创贡献的论文。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/conf/par/
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