Added figures
[culture.git] / report / culture.tex
1 %% -*- mode: latex; mode: reftex; mode: flyspell; coding: utf-8; tex-command: "pdflatex.sh" -*-
2
3 %% Any copyright is dedicated to the Public Domain.
4 %% https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/
5 %% Written by Francois Fleuret <francois@fleuret.org>
6
7 \documentclass[11pt,a4paper,oneside]{article}
8 \usepackage[paperheight=15cm,paperwidth=8cm,top=2mm,bottom=15mm,right=5mm,left=5mm]{geometry}
9 %\usepackage[a4paper,top=2.5cm,bottom=2cm,left=2.5cm,right=2.5cm]{geometry}
10 \usepackage[utf8]{inputenc}
11 \usepackage{amsmath,amssymb,dsfont}
12 \usepackage[pdftex]{graphicx}
13 \usepackage[colorlinks=true,linkcolor=blue,urlcolor=blue,citecolor=blue]{hyperref}
14 \urlstyle{same}
15 \usepackage{tikz}
16 \usetikzlibrary{arrows,arrows.meta,calc}
17 \usetikzlibrary{patterns,backgrounds}
18 \usetikzlibrary{positioning,fit}
19 \usetikzlibrary{shapes.geometric,shapes.multipart}
20 \usetikzlibrary{patterns.meta,decorations.pathreplacing,calligraphy}
21 \usetikzlibrary{tikzmark}
22 \usetikzlibrary{decorations.pathmorphing}
23 \usepackage[round]{natbib}
24 \usepackage[osf]{libertine}
25 \usepackage{microtype}
26
27 \usepackage{mleftright}
28
29 \usepackage{enumitem}
30 \setlist[itemize]{leftmargin=0pt,itemindent=1em,itemsep=2ex}
31 \setlist{nosep} % or \setlist{noitemsep} to leave space around whole list
32
33 \newcommand{\setmuskip}[2]{#1=#2\relax}
34 \setmuskip{\thinmuskip}{1.5mu} % by default it is equal to 3 mu
35 \setmuskip{\medmuskip}{2mu} % by default it is equal to 4 mu
36 \setmuskip{\thickmuskip}{3.5mu} % by default it is equal to 5 mu
37
38 \setlength{\parindent}{0cm}
39 \setlength{\parskip}{1ex}
40 %\renewcommand{\baselinestretch}{1.3}
41 %\setlength{\tabcolsep}{0pt}
42 %\renewcommand{\arraystretch}{1.0}
43
44 \def\argmax{\operatornamewithlimits{argmax}}
45 \def\argmin{\operatornamewithlimits{argmin}}
46
47 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
48
49 \def\given{\,\middle\vert\,}
50 \def\proba{\operatorname{P}}
51 \newcommand{\seq}{{S}}
52 \newcommand{\expect}{\mathds{E}}
53 \newcommand{\variance}{\mathds{V}}
54 \newcommand{\empexpect}{\hat{\mathds{E}}}
55 \newcommand{\mutinf}{\mathds{I}}
56 \newcommand{\empmutinf}{\hat{\mathds{I}}}
57 \newcommand{\entropy}{\mathds{H}}
58 \newcommand{\empentropy}{\hat{\mathds{H}}}
59 \newcommand{\ganG}{\mathbf{G}}
60 \newcommand{\ganD}{\mathbf{D}}
61 \newcommand{\ganF}{\mathbf{F}}
62
63 \newcommand{\dkl}{\mathds{D}_{\mathsf{KL}}}
64 \newcommand{\djs}{\mathds{D}_{\mathsf{JS}}}
65
66 \newcommand*{\vertbar}{\rule[-1ex]{0.5pt}{2.5ex}}
67 \newcommand*{\horzbar}{\rule[.5ex]{2.5ex}{0.5pt}}
68
69 \def\positionalencoding{\operatorname{pos-enc}}
70 \def\concat{\operatorname{concat}}
71 \def\crossentropy{\LL_{\operatorname{ce}}}
72
73 \newcommand{\separator}{\begin{center}
74 *
75 \end{center}}
76
77 \newcommand{\pic}[2]{%
78 \hspace*{\stretch{1}}
79 %
80 \includegraphics[scale=0.25]{#1}
81 %
82 \hspace*{\stretch{1}}%
83 }
84
85 \newcommand{\birdpic}[2]{%
86 \hspace*{\stretch{1}}
87 %
88 \includegraphics[scale=0.35]{#1}
89 %
90 \hspace*{\stretch{1}}%
91 }
92
93 \newenvironment{example}{%
94
95 \vspace*{2ex}
96
97 \begin{minipage}{\textwidth}
98
99 \setlength{\parindent}{0cm}
100 \setlength{\parskip}{1ex}
101 }{%
102 \end{minipage}
103 }
104
105 \begin{document}
106
107 \vspace*{-3ex}
108
109 \begin{center}
110
111 {\Large Self-Generated Culture}
112
113 Fran\c cois Fleuret
114
115 \today
116
117 \vspace*{2ex}
118
119 \centerline{\color{red}(work in progress, to be updated)}
120
121 \medskip
122
123 \centerline{\url{https://fleuret.org/public/culture/culture.pdf}}
124
125 \end{center}
126
127 \section{Introduction}
128
129 The hypothesis behind this experiment is that high-level abstract
130 thinking is fueled by social competition.
131
132 A group of communicating agents that try to demonstrate their
133 cognitive superiority would end up developing a rich and consistent
134 culture.
135
136 \subsection{Setup}
137
138 The experiment is designed with a group of GPTs that alternatively
139 learn to solve quizzes and generate new ones.
140
141 A ``quiz'' is a pair composed of a prompt and a solution, both being
142 sequence of tokens.
143
144 We differentiate \textbf{world quizzes} that follow pre-defined and
145 fixed regularities, and mimic the world's physical and environmental
146 patterns that an organism has to grasp to survive, and \textbf{culture
147   quizzes} that are generated by the GPTs, and mimic the knowledge one
148 has to master to perform socially.
149
150
151 We train five GPTs on a a very large set of ``world quizzes''
152 generated randomly. These models are trained to generate both the
153 solution given the prompt, and the prompt given the solution.
154
155 This is achieved by using for training both ``forward sequences'',
156 composed of a token \texttt{[fwd]}, followed by the prompt's tokens,
157 followed by another token \texttt{[fwd]}, followed by the solution's
158 tokens, or ``backward sequences'' composed of a token \texttt{[bck]},
159 followed by the solution's tokens, followed by another token
160 \texttt{[bck]}, followed by the prompt's tokens,
161
162 \subsection{Generating Culture Quizzes}
163
164 When their accuracy get above $95\%$ we generate new quizzes as follows:
165 %
166 \begin{enumerate}
167
168 \item generate a solution (without conditioning) at temperature $T=2$,
169   then generate a prompt for that solution at temperature $T=1/2$, and
170   then generate a solution for that prompt at temperature $T=1/2$.
171
172 \item generate one solution for that prompt with each of the $5$ GPTs
173   at temperature $T=1$, if $4$ of them generate the correct solution,
174   validate that quiz and include it in the training data.
175
176 \end{enumerate}
177
178 This criterion assures that the new quizzes are both solvable and
179 sophisticated, and incrementally complexify the culture. Imposing both
180 direction prevents the generation of quizzes which are not trivial
181 only because the prompt has been randomly degraded.
182
183 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
184 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
185 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
186 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
187
188 \pagebreak
189
190 \section{Grid Quizzes}
191
192 \subsection{World Quizzes}
193
194 We define several types of quizzes and implement algorithmic
195 procedures to generate randomly as many examples from each that we
196 need.
197
198 In these quizzes, the prompt is made of three grids $A, f(A), B$ and
199 the solution is a single grid $f(B)$.
200
201 \subsubsection{Half Fill}
202
203 \pic{pics/task_color_grow.png}{``half fill''}
204
205 The first grid contains three rectangles, each with a vertical or an
206 horizontal line of another color in its middle. The second grid is
207 identical with one of the rectangle having one half filled. The third
208 grid contains three rectangles of identical colors as the firs grid,
209 of different size and locations. The solution is obtained by filling
210 similarly one of the half of a rectangle of the third image.
211
212 \subsubsection{Detect}
213
214 \pic{pics/task_detect.png}{``detect''}
215
216 The first grid contains three rectangles, the second has two pixels of
217 same colors located in the top-left corner of two of them. The
218 solution is obtained by marking in the fourth image the top-left
219 corners of the rectangles of same colors in the third.
220
221 \subsubsection{Frame}
222
223 \pic{pics/task_frame.png}{``frame''}
224
225 The first grid contains three rectangles, and the second is identical
226 except that one rectangle has been replaced by its frame. The same
227 should be done to the similarly colored rectangles of the third grid
228 to obtain the solution.
229
230 \subsubsection{Grow}
231
232 \pic{pics/task_grow.png}{``grow''}
233
234 The first grid contains three rectangles, one of them getting one
235 pixel thicker or thinner in the second. The same should be done to the
236 similarly colored rectangles of the third grid to get the solution.
237
238 \subsubsection{Replace color}
239
240 \pic{pics/task_replace_color.png}{``replace color''}
241
242 The first grid contains three rectangles, the second is obtained by
243 changing one of the colors. The same should be done to the third grid
244 to obtain the solution.
245
246 \subsubsection{Translate}
247
248 \pic{pics/task_translate.png}{``translate''}
249
250 The first grid contains three rectangles. The second is obtained by
251 displacing one of them by one pixel in both direction. The solution is
252 obtained by applying the same motion to the similarly colored
253 rectangle in the third grid.
254
255 %% \subsubsection{Bounce}
256
257 %% \pic{pics/task_bounce.png}{``bounce''}
258
259 %% The solution should join the two pixels of same color, with a path of
260 %% another color, starting in the direction indicated by a pixel of that
261 %% color, and changing direction only when colliding with a pixel of a
262 %% third color or one of the lattice border.
263
264 %% \subsubsection{count}
265
266 %% \pic{pics/task_count.png}{``count''}
267
268 %% \subsubsection{scale}
269
270 %% \pic{pics/task_scale.png}{``scale''}
271
272 %% \subsubsection{trajectory}
273
274 %% \pic{pics/task_trajectory.png}{``trajectory''}
275
276 \subsection{Culture Quizzes}
277
278 We list here some generated quizzes that exhibit features that were not present in the ``world quizzes'' used for training.
279
280 \bigskip
281
282 \begin{example}
283
284 \pic{pics/culture_c_quiz_0078_N4_validated/quiz_01.png}{0078/01}
285
286 \pic{pics/culture_c_quiz_0078_N4_validated/quiz_02.png}{0078/02}
287
288 Added distractors.
289
290 \end{example}
291
292 \separator
293
294 \begin{example}
295
296 \pic{pics/culture_c_quiz_0110_N4_validated/quiz_63.png}{0110/63}
297
298 The quizzes ``frame'' and ``half fill'' have been combined in a single
299 quiz.
300
301 \end{example}
302
303 \separator
304
305 \begin{example}
306
307 \pic{pics/culture_c_quiz_0087_N4_validated/quiz_62.png}{0087/62}
308
309 \pic{pics/culture_c_quiz_0102_N4_validated/quiz_04.png}{0102/04}
310
311 \pic{pics/culture_c_quiz_0102_N4_validated/quiz_11.png}{0102/11}
312
313 \pic{pics/culture_c_quiz_0108_N4_validated/quiz_31.png}{0108/31}
314
315 Variation of ``Detect'' with location markers colored according to the
316 color of the rectangle they mark.
317
318 \end{example}
319
320 \separator
321
322 \begin{example}
323
324 \pic{pics/culture_c_quiz_0078_N4_validated/quiz_16.png}{0078/16}
325
326 \pic{pics/culture_c_quiz_0084_N4_validated/quiz_21.png}{0084/21}
327
328 \pic{pics/culture_c_quiz_0078_N4_validated/quiz_42.png}{0078/42}
329
330 \pic{pics/culture_c_quiz_0089_N4_validated/quiz_28.png}{0089/28}
331
332 \pic{pics/culture_c_quiz_0084_N4_validated/quiz_00.png}{0084/00}
333
334 Variations of ``Half Fill'', ``Detect'', ``Translate'', ``Grow'', and
335 ``Frame'' with a number of rectangles not equal to three.
336
337 \end{example}
338
339 \separator
340
341 \begin{example}
342
343 \pic{pics/culture_c_quiz_0078_N4_validated/quiz_27.png}{0078/27}
344
345 \pic{pics/culture_c_quiz_0078_N4_validated/quiz_18.png}{0078/18}
346
347 \pic{pics/culture_c_quiz_0086_N4_validated/quiz_45.png}{0086/45}
348
349 \pic{pics/culture_c_quiz_0078_N4_validated/quiz_37.png}{0078/37}
350
351 Variations of ``Half Fill'' where the shapes to change have more
352 complex coloring.
353
354 \end{example}
355
356 \separator
357
358 \begin{example}
359
360 \pic{pics/culture_c_quiz_0078_N4_validated/quiz_30.png}{0078/30}
361
362 Variation of ``Translate'' where the moving part is occluded, which
363 was never the case.
364
365 \end{example}
366
367 \separator
368
369 \begin{example}
370
371 \pic{pics/culture_c_quiz_0078_N4_validated/quiz_31.png}{0078/31}
372
373 \pic{pics/culture_c_quiz_0084_N4_validated/quiz_10.png}{0084/10}
374
375 \pic{pics/culture_c_quiz_0084_N4_validated/quiz_12.png}{0084/12}
376
377 \pic{pics/culture_c_quiz_0086_N4_validated/quiz_23.png}{0086/23}
378
379 \pic{pics/culture_c_quiz_0086_N4_validated/quiz_28.png}{0086/28}
380
381 Variations of ``Half Fill'' with non-rectangular shapes.
382
383 \end{example}
384
385 \separator
386
387 \begin{example}
388
389 \pic{pics/culture_c_quiz_0078_N4_validated/quiz_60.png}{0078/60}
390
391 \pic{pics/culture_c_quiz_0084_N4_validated/quiz_41.png}{0084/41}
392
393 \pic{pics/culture_c_quiz_0084_N4_validated/quiz_49.png}{0084/49}
394
395 \pic{pics/culture_c_quiz_0086_N4_validated/quiz_04.png}{0086/04}
396
397 Variations of ``Half Fill'' with two colors or two rectangles have to
398 be modified.
399
400 \end{example}
401
402 \separator
403
404 \begin{example}
405
406 \pic{pics/culture_c_quiz_0111_N4_validated/quiz_23.png}{0111/23}
407
408 Variation of ``Frame'' with no rectangle of adequate size to be
409 modified.
410
411 \end{example}
412
413 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
414 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
415 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
416 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
417
418 \pagebreak
419
420 \section{Bird World}
421
422 These results were obtained with a slightly different procedure. In
423 particular the quizzes were validated if the models could predict both
424 the solution from the prompt and the prompt from the solution. We
425 report them since they exhibit the same patterns of generalization
426 although they are quite different.
427
428 \subsection{World Quizzes}
429
430 The initial set of quizzes consist of predicting the dynamics of a
431 very simple world: A $6 \times 8$ grid with three colored ``birds'' moving in
432 a straight line, possibly bouncing on the grid's borders. There are
433 ten different colors.
434 %
435 \birdpic{pics/examples_train.png}{}
436 %
437
438 In each on these quizzes, $A$ is the left image serialized in
439 raster-scan order as a sequence of $6 \times 8 = 48$ tokens, $d$ is
440 either the token ``forward'' or the token ``backward'', and $B$ is the
441 right image, also serialized. The direction of prediction is chosen at
442 random.
443
444 \subsection{Culture quizzes}
445
446 This procedure results in the discovery of patterns which are not
447 present in the original quizzes:
448
449 \begin{example}
450
451 \birdpic{pics/4_birds_1.png}{}
452
453 \birdpic{pics/5_birds_1.png}{}
454
455 \birdpic{pics/6_birds_1.png}{}
456
457 More birds.
458
459 \end{example}
460
461 \separator
462
463 \begin{example}
464
465 \birdpic{pics/other_shapes_2.png}{}
466
467 \birdpic{pics/other_shapes_3.png}{}
468
469 New bird shapes.
470
471 \end{example}
472
473 \separator
474
475 \begin{example}
476
477 \birdpic{pics/other_shapes_1.png}{}
478
479 \birdpic{pics/occlusions_1.png}{}
480
481 Occlusions.
482
483 \end{example}
484
485 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
486 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
487 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
488 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
489
490 \pagebreak
491
492 \section{Various thoughts}
493
494 \begin{itemize}
495
496 \item The whole process can be envisioned as natural selection of
497   quizzes in the representation landscape of GPTs. There probably is a
498   subtle relation between the temperature (mutation rate) and the
499   number of models used to validate with the ``all but one'' criterion
500   (survival criterion).
501
502 \item The ``all but one'' could be ``all but K'', and there may be
503   some information-theoretical thing, where the goal is to maximize
504   mutual information, with $K=N$ being total randomness, so high
505   entropy but no structure, and $K=0$ is total determinism, so no
506   information to share.
507
508 \item The setup does not push toward any specific invariance or
509   property in the generated quizzes, their consistency is entirely due
510   to the statistics of the ``world quizzes'' that remain in the
511   training set, and to the GPTs' inductive biased.
512
513 \item The GPTs obviously get a sense of objectness and 2d topology
514   early on, since they rapidly increase the number of birds and
515   ``discover'' occlusion even though they never was in the world
516   quizzes.
517
518 \item There may not be so many problems that can be cast as pairs of
519   patterns that are each a deterministic function of the other, which
520   is probably critical here.
521
522 \item This overall process probably fight the ``simplicity bias'': If
523   a model is lacking a ``cue'' that the others have, there will
524   rapidly be quizzes that require this cue, they will be added to the
525   training data, and that model will catch up.
526
527 \item The randomness of the process probably allow to even go beyond
528   just synchronizing the abilities of the models. There may be some
529   additional complexification of quizzes that get accepted by chance.
530
531 \item It can be parallelized by dispatching the GPTs across multiples
532   nodes, and avoiding a quadratic cost by limiting the validation of
533   the quizzes to a subset of them.
534
535 \item The current process to generate new quizzes, which simply
536   samples them at random is very rudimentary and probably not
537   sufficient in a real-data setup. It can probably be supplemented
538   with a MCTS-type search.
539
540 \item There may be already in the generated quizzes some structure
541   that \emph{we} do not pick up (e.g. certain color or motion
542   patterns).
543
544 \end{itemize}
545
546 \section*{Appendix}
547
548 The code is available at
549
550 \medskip
551
552 \centerline{\url{https://fleuret.org/git/culture}}
553
554 The experiments are done with a GTX 4090.
555
556 The GPT used has 37M parameters and the following structure:
557
558 \begin{center}
559 \begin{tabular}{lc}
560     \texttt{dim\_model}  & 512  \\
561     \texttt{dim\_keys}   & 64   \\
562     \texttt{dim\_hidden} & 2048 \\
563     \texttt{nb\_heads}   & 8    \\
564     \texttt{nb\_blocks}  & 12
565 \end{tabular}
566 \end{center}
567
568 Adam, $\eta = 1e-4$, no scheduling.
569
570 There are $N_{\text{train}}=250'000$ original quizzes for training and
571 $N_{\text{test}} = 10'000$ for test.
572
573 At each epoch, for both train and test samples, we mix original
574 quizzes and the generated ones.
575
576 For training for instance, if there are less than $N_{\text{train}}/2$
577 new quizzes, we take all of them, otherwise we sample
578 $N_{\text{train}}/2$ of them without replacement, and then we sample
579 without replacement enough original quizzes to get $N_{\text{train}}$
580 samples in total.
581
582 We proceed similarly to get $N_{\text{test}}$ samples for test.
583
584 \end{document}