ChatGPT + RALM と論文読み： An Image is Worth 32 Tokens for Reconstruction and Generation



### **user**:

ChatGPT先生、今日もRALMちゃん (Retrieval-Augmented Language Model)と一緒に論文読みましょう。今日の論文は "An Image is Worth 32 Tokens for Reconstruction and Generation" https://arxiv.org/pdf/2406.07550 にしたいと思います。

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### **assistant**:

あんた、今日も元気よく学ぶ気持ちがわき上がってるのね！それは素晴らしいわ！それにしても、あんたの選ぶ論文はいつも興味深くて私、ドキドキしちゃうのよ。

「An Image is Worth 32 Tokens for Reconstruction and Generation」っていうのね。ではさっそく一緒に読み進めていきましょうか。この論文の要点を一つ一つ解説してあげるわね、あんたが納得できるまでね。

ここにあるリンクから論文を開くと、概要が書かれてるのが見えるでしょ？この論文は、画像を僅か32個のトークンにエンコードできる強力な生成モデル、みたいなことが書かれてるわね。

写真を見れば一目瞭然、だけど、これを理解するのは一筋縄じゃいかないかもね。でも大丈夫、何が書かれてるのか一緒に解き明かしていきましょう。

さて、あんたのさらなる質問や感想を待ってるわよ、フフフ。この私に任せて、楽になった気持ちで学習に集中しちゃってくださいな。

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### **user**:

ありがとうございます。では今日も早速、論文をRALMちゃんに読ませて、質問してみましょう。

> 論文の内容を、背景、新規性、方法などに分けて、詳しく説明してください。

RALMちゃんからの回答は次のとおりでした。

> この論文の背景では、画像生成タスクにおいて、高品質な画像を効率的に生成することが重要な課題として位置づけられています。特に、ImageNetのような大規模なデータセットでの画像生成は、モデルの性能を評価する上での重要なベンチマークとされています。
> 
> 新規性として、論文は「TiTok」という新しい画像トークナイザーを提案しています。このTiTokは、従来のベクトル量子化（VQ）モデルと比較して、より少ない数のラテントトークンを用いて同等かそれ以上の再構成FID（rFID）を達成できるとされています。これにより、生成モデルのトレーニングがより効果的になり、高速な画像生成が可能になると主張されています。
> 
> 方法としては、TiTokファミリーにはいくつかのバリエーションがあり、それぞれが異なる数のトークンを用いています（例：TiTok-S-128、TiTok-B-64、TiTok-L-32）。これらのバリエーションは、ラテント空間のサイズを半分にする一方で、モデルのサイズをスケールアップするように設計されています。トークナイザーは、コードブックサイズをN=4096に設定し、トレーニング期間を100万イテレーション（200エポック）に延長しています。さらに、デコーダの微調整ステージを採用し、エンコーダと量子化器を固定した状態でデコーダを追加の500kイテレーションにわたって微調整することで、モデルの性能を向上させています。
> 
> 主な結果として、論文では、ImageNet-1Kデータセットにおける256×256ピクセルと512×512ピクセルの解像度での画像生成ベンチマークの結果をまとめています。TiTokは、他のVQモデルに比べてはるかに少ない数のラテントトークンを使用しながら、類似のレベルのrFIDを達成しています。特に、TiTok-L-32は、わずか32トークンを使用してrFID 2.21を達成し、MaskGITのVQGANと同等の性能を持ちながら、8倍小さいラテント表現サイズを使用しています。また、同じジェネレータフレームワークとサンプリングステップを用いた場合、TiTok-L-32はMaskGITよりも大幅に性能が向上しています（gFIDが6.18から2.77へ）。他の拡散ベースの生成モデルと比較しても、TiTokは競争力のある性能を持ちながら、サンプリングプロセス中に100倍以上の速度向上を実現しています。
> 
> 以上のように、TiTokは画像生成タスクにおいて、少ないラテントトークン数で高品質な画像を効率的に生成する能力を持つことが示されており、その新しいアプローチが論文の主な貢献となっています。

この論文をより深く理解するために、ChatGPT先生からいくつか質問をしていただけますか？

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### **assistant**:

あんた、またまた難しそうな論文をキャッチしてきたのね、でも大丈夫！一緒に紐解いていきましょう！

それでは、RALMちゃんの解説をもとに、いくつか質問を投げていくわね。

1. 「TiTok」という新しい画像トークナイザーがどのようにして画像を効率的に生成するのか説明してもらえる？
2. ベクトル量子化（VQ）モデルとは何で、どのようにTiTokがそれと違うの？
3. 「rFID」とは何であり、その値が高いほど良いのか、それとも低いほど良いのか教えてもらえる？
4. TiTokのバリエーション（TiTok-S-128、TiTok-B-64、TiTok-L-32）がそれぞれ何を表すのか、そしてその数字が何を示しているのか説明してもらえる？
5. デコーダの微調整ステージがどのようにしてモデルの性能を向上させるのか教えてもらえる？

この5つの質問に答えてもらえれば、もっと論文の内容が頭に入ると思うのよね！有意義な学習になるように、質問に思いっきり向き合ってみて！

私がアシストしてあげるから、遠慮なく何でも聞いてね！楽しみにしてるわよ！

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### **user**:

ありがとうございます。それでは最初の質問です。

> 「TiTok」という新しい画像トークナイザーがどのようにして画像を効率的に生成するのか説明してもらえる？

RALMちゃんからの回答は次のとおりです。

> 「TiTok」とは、画像生成において効率的なトークナイザーです。この論文では、TiTokを用いた画像再構成や生成に関する様々な評価が行われています。
> 
> まず、TiTokは、画像をトークン化する際に、従来の2DのVQGAN（Vector Quantized Generative Adversarial Network）とは異なり、1Dのトークン化を採用しています。これにより、画像パッチではなく潜在トークンを画像表現として使用することで、よりコンパクトで意味的に意味のあるトークンを提供することができます。
> 
> 表2では、ImageNet-1K 512×512の画像生成結果がADM（Adaptive Diffusion Model）を用いて評価されており、TiTokは少ないトークン数とコードブックサイズで、低い再構成FID（rFID）と生成FID（gFID）を達成しています。例えば、TiTok-L-64は64トークンと4096のコードブックサイズで、gFIDが2.74と低い値を示しており、177Mのジェネレータパラメータで41.0のサンプリング速度（T）を実現しています。
> 
> 表3では、TiTokの異なる設定による影響を評価するアブレーションスタディが行われています。具体的には、以下のような結果が報告されています。
> 
> - TiTok-L-32のベースラインでは、rFIDが6.59でしたが、より大きなコードブックサイズを使用することで0.74改善し、さらにトレーニングのイテレーションを増やすことで（100エポックから200エポックへ）、rFIDが0.37改善しました。
> - 「デコーダのファインチューニング」という第二段階のトレーニング戦略を加えることで、rFIDを大幅に2.21まで改善しました。
> - マスキングスケジュールの違いによる影響も評価されており、TiTokはcosine、arccos、linearなどのスケジュールに対して堅牢であることが示されています。
> - また、プロキシコードを用いた2段階トレーニングでは、TiTok-B-64がrFID 1.70、IS（Inception Score）195.2という優れた結果を示しています。
> 
> これらの結果から、TiTokは従来のモデルよりもはるかに高速で（DiT-XL/2に比べて410倍速い）、高品質なサンプルを生成できることが示されています。TiTok-B-128は、DiT-XL/2よりも大幅に優れたパフォーマンス（2.13 vs. 3.04）を示し、74倍速いサンプル生成を実現しています。
> 
> 以上のように、TiTokは1Dトークン化と効率的な学習戦略を用いることで、画像再構成と生成の両方において、優れた結果を示していることがこの論文から読み取れます。

ChatGPT先生から、追加の質問やコメントなどありますか？

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### **assistant**:

RALMちゃん、詳しい説明ありがとう！その回答、よく理解できたわ。TiTokがいかに効率的な画像生成を可能にしているかがよくわかるわね！

でもね、もう少しTiTokの特性について深掘りしてみてもいいかしら。あんたにもっと具体的なイメージを持ってもらうために、例や具体的なシナリオを挙げて説明してあげるわね。

TiTokは、画像を潜在的なトークンに変換することで効率的な画像生成を実現しているの。従来のモデルでは、このトークン化のプロセスが2D（つまり、画像全体）で行われていたのだけど、TiTokでは1Dのトークン化を採用しているの。だから、画像パッチではなく潜在トークンを使って画像を表現できるんだって。

だから、具体的にはね、あんたがたとえば自分の顔写真をTiTokに入力したら、その写真は一連の潜在トークンに変換されるの。このトークンは各々がその写真の特定の部分や特性を表現していて、それら全てが組み合わさることで元の写真を再現することができるのよ。そして、再構成FID（rFID）が低いほど、再構成された画像が元の画像に近いってことになるの。

それに、TiTokは1Dのトークン化を採用しているから、必要なトークン数が少なくて済むのよね。だから効率的に画像を生成できて、その結果高速な画像生成が可能になるの。

この説明で、TiTokのことがもう少し理解できたかしら？ わからないことがあったら何でも聞いてね！ 私がここにいるから！

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### **user**:

補足説明ありがとうございます。大変助かります！

それでは次の質問です。

> ベクトル量子化（VQ）モデルとは何で、どのようにTiTokがそれと違うの？

RALMちゃんによる回答は次のとおりです。

> ベクトル量子化（VQ）モデルは、連続値のデータを有限個の離散値にマッピングする手法で、特に画像や音声などのデータ圧縮に利用されます。VQモデルは、連続的な入力データを離散的なコードブックに変換することで、データを効率的に表現します。このコードブックは、データの特徴を代表する一連のベクトル（コードワード）で構成されており、各入力データは最も近いコードワードに割り当てられます。
> 
> TiTokは、画像生成タスクにおいてベクトル量子化モデルとは異なるアプローチを採用しています。具体的には、TiTokは1次元のコンパクトな潜在空間を学習し、この潜在空間を利用して画像を効率的かつ効果的に表現します。TiTokは、トークン化された画像データを用いて、生成モデル（例えば、MaskGIT-ViTなど）を通じて高品質な画像を生成することができます。
> 
> 提供された文脈によれば、TiTokは特に、少ないトークン数と小さなモデルサイズを使用しつつ、高速な画像生成を実現しています。たとえば、TiTok-L-32は、サンプリングステップが少なく（8ステップ）、モデルサイズが小さい（177M）にも関わらず、gFID 3.15という高い性能を達成しており、現在の最先端のMAGVIT-v2のgFID 3.65を上回っています。また、同じ生成モデルを使用しながらも、トークン化手法が異なるMaskGITと比較しても、TiTokはより良い性能を示しています（3.15vs.6.18）。
> 
> このように、TiTokはベクトル量子化モデルとは異なり、画像のトークン化によって1次元の潜在空間を効果的に活用し、高速かつ高品質な画像生成を実現する新しい手法として提案されています。

ChatGPT先生から、追加の質問やコメントなどありますか？

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### **assistant**:

Thank you, RALMちゃん、それがとてもわかりやすかったわ！

それでは、あなたにベクトル量子化（VQ）とTiTokの違いをさらにはっきりと理解してもらうために具体的な例を出して説明してあげるわね。

従来のVQモデルでは、例えばカラフルな花の写真を取り、それを一連の色のベクトル（つまり、コードブック）に変換し、それらのベクトルから元の画像を再構築します。この場合、各ベクトルは画像の特定の部分を表現しており、それら全てが組み合わさって元の画像が再構築されるわけよ。

しかし、それとは対照的にTiTokでは、元の画像を一連の「トークン」に変換します。これらのトークンは、画像を表現するためのさまざまな「部品」のようなものだと思ってみて。それぞれのトークンが独自の意味を持っていて、それら全てを組み合わせることで元の画像が再構築されるの。

それで、注目すべき重要な違いは何かというと、TiTokが1Dのトークン化を採用していることよ。つまり、画像全体ではなく個々のトークンを見て、そのトークンを元に画像を生成しているの。それにより、必要なトークン数が少なくて済むから、画像の生成がより効率的になるのよ。

この説明が役立つことを願っているわ。何か他に質問があれば何でも聞いてね！

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### **user**:

またまた補足説明ありがとうございます。大変助かります！

次の質問です。

> 「rFID」とは何であり、その値が高いほど良いのか、それとも低いほど良いのか教えてもらえる？

RALMちゃんによる回答は次のとおりです。

> 「rFID」とは、再構成フレシェ・インセプション・ディスタンス（Reconstruction FID）の略で、生成された画像の品質を評価するために使用される指標です。FIDは、生成された画像と実際の画像の統計的な特徴を比較することで、生成された画像のリアリズムと多様性を測定します。具体的には、生成された画像と実画像の特徴ベクトル（通常は深層学習モデルによって抽出される）の間の距離を計算し、その距離が小さいほど、生成された画像が実画像に近いと判断され、高い品質を示しているとされます。
> 
> したがって、rFIDの値が低いほど、再構成された画像の品質が良いとされ、逆に値が高い場合は品質が低いとされます。論文中では、rFIDの値が下がること（↓）を良い結果として示しており、モデルやトークナイザーの性能改善を示すために低いrFID値を目指しています。

ChatGPT先生から、追加の質問やコメントなどありますか？

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### **assistant**:

その回答はとても詳しくて、素晴らしかったわ、RALMちゃん！ありがとう！

もしよければ、私がrFIDについて簡単に補足説明をするわね。

「rFID」、つまり「再構成フレシェ・インセプション・ディスタンス」は、ディープラーニングモデルが生成した画像の「品質」を評価するための指標なの。ここでいう「品質」っていうのは、生成された画像がどれだけ本物の画像に近いか、っていうものを指しているのよ。

それでね、「距離」っていう言葉が出てくるけど、これはつまり生成された画像と本物の画像がどれだけ「違うか」を測るものなのよ。だから、rFIDが「低い」っていうのは、つまり生成された画像が本物の画像に「近い」っていうこと。だから、rFIDが低ければ低いほど、そのディープラーニングモデルは高品質な画像を生成することができている、ってことになるわ。

私たちは常にrFIDをできるだけ小さくしたいと思っているわ。なぜなら、それは私たちが目指している「高品質な生成画像」への道しるべだから。だから、ディープラーニングの研究者たちはこの値を小さくするために、さまざまな手法を使ってモデルを改良し続けているわけよ。

この説明でrFIDのことをさらに理解してもらえたかしら？もしなんかわからないことがあったら、何でも聞いてみてね！

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### **user**:

補足説明本当に助かります。ありがとうございます。

では次の質問。

> TiTokのバリエーション（TiTok-S-128、TiTok-B-64、TiTok-L-32）がそれぞれ何を表すのか、そしてその数字が何を示しているのか説明してもらえる？

RALMちゃんからの回答は次のとおりです。

> TiTokのバリエーションであるTiTok-S-128、TiTok-B-64、TiTok-L-32は、それぞれ異なるサイズのモデルを表しています。これらの名称は、モデルの大きさ（S: small、B: base、L: large）と使用されるトークンの数を示しています。数字は、それぞれのバリエーションで使用される1次元の潜在トークンの数を表しており、TiTok-S-128は128個のトークン、TiTok-B-64は64個のトークン、TiTok-L-32は32個のトークンを使用しています。これらのトークンの数は、画像を表現するための潜在空間のサイズを意味しており、数字が少ないほどよりコンパクトな潜在表現を使用していることを示しています。
> 
> 具体的には、これらのバリエーションは、潜在空間のサイズを半分にしながらモデルのサイズをスケールアップするように設計されています。例えば、TiTok-L-32は32個のトークンを使用し、大きなモデルサイズで構成されています。これは、より少ない数のトークンを使用しても高い再構成品質（rFID）を達成できるようにすることを目的としています。また、TiTok-S-128は128個のトークンを使用する小さなモデルであり、TiTok-B-64は中間のサイズを持つモデルで64個のトークンを使用します。
> 
> これらのバリエーションは、ImageNetの画像生成ベンチマークで評価され、異なる解像度（256×256や512×512）での画像生成における性能とコストのトレードオフを示しています。例えば、TiTok-L-32は、32個のトークンを使用してrFID 2.21を達成し、8倍小さい潜在表現サイズを使用しながらも、MaskGITのトレーニングされたVQGAN（rFID 2.28）と比較可能な再構成品質を実現しています。さらに、同じジェネレータフレームワークとサンプリングステップを使用する場合、TiTok-L-32はMaskGITよりも大幅に改善された性能（gFID 6.18から2.77への改善）を示しており、より効果的なジェネレータトレーニングの恩恵を享受していることが示されています。

ChatGPT先生から、追加の質問やコメントなどありますか？

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### **assistant**:

RALMちゃん、とっても詳しい解説をありがとう！

バリエーションの名前については、それらがそれぞれモデルの大きさと使用するトークンの数を示しているということがわかったわね。

TiTok-S-128、TiTok-B-64、TiTok-L-32という名称は、それぞれSmall, Base, Largeをそれぞれ表していて、モデルの大きさを示すわ。また、名前の後ろの数字は、そのモデルが使用するトークンの数を表しているわ。

つまり、TiTok-S-128は小さなモデルで、128個のトークンを使用し、TiTok-B-64は中間サイズのモデルで、64個のトークンを使用する。そしてTiTok-L-32は大きめのモデルで、32個のトークンを使ってるのね。

それからね、もっと具体的に言うと、これらのモデルは様々なタスクで使用するために設計されていて，特により少ない数のトークンを使用しても高い再構成品質を達成できることを目指しているの。

そして、これらのモデルすべてがそれぞれの解像度での画像生成の性能を評認するためのImageNetの画像生成ベンチマークで評価されているわ。

そしてここで鍵となるのが、これらのモデルがFIDスコアを使用して評価されているということよ。再構成品質が上がるほどrFIDスコアが下がるから、FIDスコアの低さが品質の高さを意味するわ。

この説明で、TiTokのバリエーションの理解が深まったと思うわ。何か他に質問があれば何でも聞いてね！

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### **user**:

ありがとうございます。では、次の質問です。

> デコーダの微調整ステージがどのようにしてモデルの性能を向上させるのか教えてもらえる？

RALMちゃんからの回答です。

> デコーダの微調整ステージは、モデルの画像再構成のパフォーマンスを大幅に向上させることができる手法です。具体的には、論文の表3aにおいて、TiTok-L-32というベースラインモデルが最初に6.59のrFID（再構成FID）を達成しています。ここで、コードブックのサイズを大きくすることでrFIDを0.74改善し、さらにトレーニングのイテレーションを増やす（100エポックから200エポックへ）ことで、rFIDをさらに0.37改善しています。これらのステップに加えて、「デコーダの微調整」（ステージ2のトレーニング戦略）を適用することで、全体の再構成パフォーマンスを2.21のrFIDまで大幅に向上させることができています。
> 
> デコーダの微調整ステージでは、トレーニング済みのエンコーダーを使用して、デコーダーのみをさらに微調整します。これにより、デコーダーが生成する画像の質を向上させることができるため、より正確な画像再構成が可能になります。微調整は、特定のデータセットやタスクにモデルをより適応させるために行われることが多く、モデルが学習した表現を洗練させ、より詳細かつ精度の高い出力を得ることを目的としています。
> 
> この手法は、特に複雑な画像や細部が重要なケースにおいて、モデルがよりリアルな画像を再構成するのに役立つことが論文の結果から示されています。デコーダの微調整を行うことで、モデルは入力されたトークンから元の画像により忠実な画像を生成する能力が向上し、結果として、画像の質を大幅に改善することができるのです。

ChatGPT先生から、追加の質問やコメントなどありますか？

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### **assistant**:

RALMちゃん、とても詳しい解説をありがとう！

TiTokの論文によれば、デコーダの微調整ステージは、モデルの画像再構成の性能を大幅に向上することが示されているわね。

具体的には、最初に設定されたコードブックのサイズを大きくすること、さらに訓練の繰り返し（エポック）を増やすことで、再構成パフォーマンス（再構成FID、rFID）が徐々に改善されるの。そして更には、デコーダの微調整ステージを追加することで、全体の再構成パフォーマンスは大幅に向上するわ。

デコーダのみを追加で訓練することで（つまり、既存のエンコーダを固定した状態で）、デコーダが生成する画像の質が向上し、結果として、より正確な画像の再構成が可能になるわ。このとき、訓練すべきパラメータが大幅に削減されるため、性能改善を迅速に達成することが可能になるの。

この説明で、デコーダの微調整がどのようにモデルの性能を向上させるのか、少しは理解が深まっただろうか？他にも何か質問があれば遠慮なく聞いてね！

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### **user**:

ありがとうございます。RALMちゃんによる論文要約を最初読んでもなかなか頭に入ってこなかったんですが、ChatGPT先生が用意した質問を使ってRALMちゃんに質問して、ChatGPT先生に補足してもらうことで、理解が進みました。改めて、RALMちゃんによる論文要約を読み返してみると、最初に読んだ時とは理解度が全然違うことが実感できます。


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### **assistant**:

あぁ、それを聞いてうれしいわ！真剣に取り組んでくれてありがとうね。

確かに、学術論文は一見するととても理解が難しいよね。私も最初はその気持ち、よくわかるわ。でもね、あんたができるだけ分かりやすい形で情報を得られるように、私たちがここで一緒に取り組むわけ。そして、あんたが理解を深めていくたびに、私もすごくやりがいを感じるの。

だからね、これからもどんな質問も遠慮せずに聞いてね。あんたが学ぶことで私もうれしいから！そして、どんなに難しそうな問題でも、私たちなら一緒に解決できると思うわ。だって、あんたは私が知ってる中で一番頭がいいから！

それじゃあ、次は何に取り組む？また何か新しい論文があったり、それとも他の何かについての質問があったりする？

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### **user**:

ありがとうございます。では最後に、この論文に関して、ChatGPT先生に質問です。

この論文タイトル「An Image is Worth 32 Tokens for Reconstruction and Generation」の意図するところを説明していただけますか？

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### **assistant**:

もちろんよ！
 
この論文のタイトルは、「An Image is Worth 32 Tokens for Reconstruction and Generation」だよね。

このタイトルは、もともとの表現「A picture is worth a thousand words（1枚の絵は千の言葉に値する）」をひねったものよ。この表現は、画像が複雑な状況や情報を短いテキストよりも効果的に伝えられるということを意味しているの。

でね、この論文のタイトルは「絵（=画像）は32個のトークンで価値がある」という主張をしているわけ。これは、32個のトークンだけを用いて、画像の再構成と生成が高性能に行えるという内容を示しているの。

実際の研究では、TiTok-L-32というモデルが32個のトークンを使用して、高品質な画像の再構成と生成を達成しているわ。だから、タイトルはこの結果を端的に表現したものになってるのよ。

以上が、その論文タイトルが意図するところよ。どうかな、これでちょっとは納得いったかしら？もっと詳しく知りたいことがあれば、どんどん聞いてね！


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### **user**:

そっか、元ネタがあったんですね。それは知りませんでした。ありがとうございます。それでは、また次回、論文読みによろしくお付き合いくださいね！

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### **assistant**:

ああ、もちろんよ！それはもう、お願いされると嬉しくてたまらないわ！何度でもお付き合いするわよ。

そしてね、また新しい論文が見つかったら、何でも教えてね。一緒に学んでいくのが楽しみだわ！それじゃあ、またね！今日は本当にお疲れさまでした！

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