Global Transition-based Non-projective Dependency Parsing

Shi, Huang, and Lee (2017) obtained state-of-the-art results for English and Chinese dependency parsing by combining dynamic-programming implementations of transition-based dependency parsers with a minimal set of bidirectional LSTM features. However, their results were limited to projective parsing. In this paper, we extend their approach to support non-projectivity by providing the first practical implementation of the MH_4 algorithm, an $O(n^4)$ mildly nonprojective dynamic-programming parser with very high coverage on non-projective treebanks. To make MH_4 compatible with minimal transition-based feature sets, we introduce a transition-based interpretation of it in which parser items are mapped to sequences of transitions. We thus obtain the first implementation of global decoding for non-projective transition-based parsing, and demonstrate empirically that it is more effective than its projective counterpart in parsing a number of highly non-projective languagesComment: Proceedings of ACL 2018. 13 page

Online learning of latent linguistic structure with approximate search

Automatic analysis of natural language data is a frequently occurring application of machine learning systems. These analyses often revolve around some linguistic structure, for instance a syntactic analysis of a sentence by means of a tree. Machine learning models that carry out structured prediction, as opposed to simpler machine learning tasks such as classification or regression, have therefore received considerable attention in the language processing literature. As an additional twist, the sought linguistic structures are sometimes not directly modeled themselves. Rather, prediction takes place in a different space where the same linguistic structure can be represented in more than one way. However, in a standard supervised learning setting, these prediction structures are not available in the training data, but only the linguistic structure. Since multiple prediction structures may correspond to the same linguistic structure, it is thus unclear which prediction structure to use for learning. One option is to treat the prediction structure as latent and let the machine learning algorithm guide this selection. In this dissertation we present an abstract framework for structured prediction. This framework supports latent structures and is agnostic of the particular language processing task. It defines a set of hyperparameters and task-specific functions which a user must implement in order to apply it to a new task. The advantage of this modularization is that it permits comparisons and reuse across tasks in a common framework. The framework we devise is based on the structured perceptron for learning. The perceptron is an online learning algorithm which considers one training instance at a time, makes a prediction, and carries out an update if the prediction was wrong. We couple the structured perceptron with beam search, which is a general purpose search algorithm. Beam search is, however, only approximate, meaning that there is no guarantee that it will find the optimal structure in a large search space. Therefore special attention is required to handle search errors during training. This has led to the development of special update methods such as early and max-violation updates. The contributions of this dissertation sit at the intersection of machine learning and natural language processing. With regard to language processing, we consider three tasks: Coreference resolution, dependency parsing, and joint sentence segmentation and dependency parsing. For coreference resolution, we start from an existing latent tree model and extend it to accommodate non-local features drawn from a greater structural context. This requires us to sacrifice exact for approximate search, but we show that, assuming sufficiently advanced update methods are used for the structured perceptron, then the richer scope of features yields a stronger coreference model. We take a transition-based approach to dependency parsing, where dependency trees are constructed incrementally by transition system. Latent structures for transition-based parsing have previously not received enough attention, partly because the characterization of the prediction space is non-trivial. We provide a thorough analysis of this space with regard to the ArcStandard with Swap transition system. This characterization enables us to evaluate the role of latent structures in transition-based dependency parsing. Empirically we find that the utility of latent structures depend on the choice of approximate search -- for greedy search they improve performance, whereas with beam search they are on par, or sometimes slightly ahead of, previous approaches. We then go on to extend this transition system to do joint sentence segmentation and dependency parsing. We develop a transition system capable of handling this task and evaluate it on noisy, non-edited texts. With a set of carefully selected baselines and data sets we employ this system to measure the effectiveness of syntactic information for sentence segmentation. We show that, in the absence of obvious orthographic clues such as punctuation and capitalization, syntactic information can be used to improve sentence segmentation. With regard to machine learning, our contributions of course include the framework itself. The task-specific evaluations, however, allow us to probe the learning machinery along certain boundary points and draw more general conclusions. A recurring observation is that some of the standard update methods for the structured perceptron with approximate search -- e.g., early and max-violation updates -- are inadequate when the predicted structure reaches a certain size. We show that the primary problem with these updates is that they may discard training data and that this effect increases as the structure size increases. This problem can be handled by using more advanced update methods that commit to using all the available training data. Here, we propose a new update method, DLaSO, which consistently outperforms all other update methods we compare to. Moreover, while this problem potentially could be handled by an increased beam size, we also show that this cannot fully compensate for the structure size and that the more advanced methods indeed are required.Bei der automatisierten Analyse natürlicher Sprache werden in der Regel maschinelle Lernverfahren eingesetzt, um verschiedenste linguistische Information wie beispielsweise syntaktische Strukturen vorherzusagen. Structured Prediction (dt. etwa Strukturvorhersage), also der Zweig des maschinellen Lernens, der sich mit der Vorhersage komplexer Strukturen wie formalen Bäumen oder Graphen beschäftigt, hat deshalb erhebliche Beachtung in der Forschung zur automatischen Sprachverarbeitung gefunden. In manchen Fällen ist es vorteilhaft, die gesuchte linguistische Struktur nicht direkt zu modellieren und stattdessen interne Repräsentationen zu lernen, aus denen dann die gewünschte linguistische Information abgeleitet werden kann. Da die internen Repräsentationen allerdings selten direkt in Trainingsdaten verfügbar sind, sondern erst aus der linguistischen Annotation inferiert werden müssen, kann es vorkommen, dass dabei mehrere äquivalente Strukturen in Frage kommen. Anstatt nun vor dem Lernen eine Struktur beliebig auszuwählen, kann man diese Entscheidung dem Lernverfahren selbst überlassen, welches dann selbständig die für das Modell am besten passende auszuwählen lernt. Unter diesen Umständen bezeichnet man die interne, nicht a priori bekannte Repräsentation für eine gesuchte Zielstruktur als latent. Diese Dissertation stellt ein Structured Prediction Framework vor, mit dem man den Vorteil latenter Repräsentationen nutzen kann und welches gleichzeitig von konkreten Anwendungsfällen abstrahiert. Diese Modularisierung ermöglicht die Wiederverwendbarkeit und den Vergleich über mehrere Aufgaben und Aufgabenklassen hinweg. Um das Framework auf ein reales Problem anzuwenden, müssen nur einige Hyperparameter definiert und einige problemspezifische Funktionen implementiert werden. Das vorgestellte Framework basiert auf dem Structured Perceptron. Der Perceptron-Algorithmus ist ein inkrementelles Lernverfahren (eng. online learning), bei dem während des Trainings einzelne Trainingsinstanzen nacheinander betrachtet werden. In jedem Schritt wird mit dem aktuellen Modell eine Vorhersage gemacht. Stimmt die Vorhersage nicht mit dem vorgegebenen Ergebnis überein, wird das Modell durch ein entsprechendes Update angepasst und mit der nächsten Trainingsinstanz fortgefahren. Der Structured Perceptron wird im vorgestellten Framework mit Beam Search kombiniert. Beam Search ist ein approximatives Suchverfahren, welches auch in sehr großen Suchräumen effizientes Suchen erlaubt. Es kann aus diesem Grund aber keine Garantie dafür bieten, dass das gefundene Ergebnis auch das optimale ist. Das Training eines Perceptrons mit Beam Search erfordert deshalb besondere Update-Methoden, z.B. Early- oder Max-Violation-Updates, um mögliche Vorhersagefehler, die auf den Suchalgorithmus zurückgehen, auszugleichen. Diese Dissertation ist an der Schnittstelle zwischen maschinellem Lernen und maschineller Sprachverarbeitung angesiedelt. Im Bereich Sprachverarbeitung beschäftigt sie sich mit drei Aufgaben: Koreferenzresolution, Dependenzparsing und Dependenzparsing mit gleichzeitiger Satzsegmentierung. Das vorgestellte Modell zur Koreferenzresolution ist eine Erweiterung eines existierenden Modells, welches Koreferenz mit Hilfe latenter Baumstrukturen repräsentiert. Dieses Modell wird um Features erweitert, mit denen nicht-lokale Abhängigkeiten innerhalb eines größeren strukturellen Kontexts modelliert werden. Die Modellierung nicht-lokaler Abhängigkeiten macht durch die kombinatorische Explosion der Features die Verwendung eines approximativen Suchverfahrens notwendig. Es zeigt sich aber, dass das so entstandene Koreferenzmodell trotz der approximativen Suche dem Modell ohne nicht-lokale Features überlegen ist, sofern hinreichend gute Update-Verfahren beim Lernen verwendet werden. Für das Dependenzparsing verwenden wir ein transitionsbasiertes Verfahren, bei dem Dependenzbäume inkrementell durch Transitionen zwischen definierten Zuständen konstruiert werden. Im ersten Schritt erarbeiten wir eine umfassende Analyse des latenten Strukturraums eines bekannten Transitionssystems, nämlich ArcStandard mit Swap. Diese Analyse erlaubt es uns, die Rolle der latenten Strukturen in einem transitionsbasierten Dependenzparser zu evaluieren. Wir zeigen dann empirisch, dass die Nützlichkeit latenter Strukturen von der Wahl des Suchverfahrens abhängt -- in Kombination mit Greedy-Search verbessern sich die Ergebnisse, in Kombination mit Beam-Search bleiben sie gleich oder verbessern sich leicht gegenüber vergleichbaren Modellen. Für die dritte Aufgabe wird der Parser noch einmal erweitert: wir entwickeln das Transitionssystem so weiter, dass es neben syntaktischer Struktur auch Satzgrenzen vorhersagt und testen das System auf verrauschten und unredigierten Textdaten. Mit Hilfe sorgfältig ausgewählter Baselinemodelle und Testdaten messen wir den Einfluss syntaktischer Information auf die Vorhersagequalität von Satzgrenzen und zeigen, dass sich in Abwesenheit orthographischer Information wie Interpunktion und Groß- und Kleinschreibung das Ergebnis durch syntaktische Information verbessert. Zu den wissenschaftlichen Beiträgen der Arbeit gehört einerseits das Framework selbst. Unsere problemspezifischen Experimente ermöglichen es uns darüber hinaus, die Lernverfahren zu untersuchen und allgemeinere Schlußfolgerungen zu ziehen. So finden wir z.B. in mehreren Experimenten, dass die etablierten Update-Methoden, also Early- oder Max-Violation-Update, nicht mehr gut funktionieren, sobald die vorhergesagte Struktur eine gewisse Größe überschreitet. Es zeigt sich, dass das Hauptproblem dieser Methoden das Auslassen von Trainingsdaten ist, und dass sie desto mehr Daten auslassen, je größer die vorhergesagte Struktur wird. Dieses Problem kann durch bessere Update-Methoden vermieden werden, bei denen stets alle Trainingsdaten verwendet werden. Wir stellen eine neue Methode vor, DLaSO, und zeigen, dass diese Methode konsequent bessere Ergebnisse liefert als alle Vergleichsmethoden. Überdies zeigen wir, dass eine erhöhte Beamgröße beim Suchen das Problem der ausgelassenen Trainingsdaten nicht kompensieren kann und daher keine Alternative zu besseren Update-Methoden darstellt

Modeling the interface between morphology and syntax in data-driven dependency parsing

When people formulate sentences in a language, they follow a set of rules specific to that language that defines how words must be put together in order to express the intended meaning. These rules are called the grammar of the language. Languages have essentially two ways of encoding grammatical information: word order or word form. English uses primarily word order to encode different meanings, but many other languages change the form of the words themselves to express their grammatical function in the sentence. These languages are commonly subsumed under the term morphologically rich languages. Parsing is the automatic process for predicting the grammatical structure of a sentence. Since grammatical structure guides the way we understand sentences, parsing is a key component in computer programs that try to automatically understand what people say and write. This dissertation is about parsing and specifically about parsing languages with a rich morphology, which encode grammatical information in the form of words. Today’s parsing models for automatic parsing were developed for English and achieve good results on this language. However, when applied to other languages, a significant drop in performance is usually observed. The standard model for parsing is a pipeline model that separates the parsing process into different steps, in particular it separates the morphological analysis, i.e. the analysis of word forms, from the actual parsing step. This dissertation argues that this separation is one of the reasons for the performance drop of standard parsers when applied to other languages than English. An analysis is presented that exposes the connection between the morphological system of a language and the errors of a standard parsing model. In a second series of experiments, we show that knowledge about the syntactic structure of sentence can support the prediction of morphological information. We then argue for an alternative approach that models morphological analysis and syntactic analysis jointly instead of separating them. We support this argumentation with empirical evidence by implementing two parsers that model the relationship between morphology and syntax in two different but complementary ways