The Comparative Evaluation of Dependency Parsers in Parsing Estonian

Loomuliku keele töötluse (LKT) tehnoloogia on pidevalt arenemas, viimastel kümnenditel on selles valdkonnas toimunud väga suured edasiminekud. Üks LKT põhiülesanne on sõltuvussüntaksi analüüs, mis on sageli aluseks ka paljudele teistele ülesannetele, näiteks masintõlkele, nimeolemite tuvastamisele jne. Sõltuvussüntaksi analüüsi eesmärgiks on leida lause süntaktiline struktuur ja tuvastada sõnadevahelised grammatilised seosed. Enamik sõltuvussüntaksi analüüsi uuringuid on keskendunud inglise keele analüüsimisele. Antud ma-gistritöö eesmärgiks on hinnata ja võrrelda erinevate süntaksianalüsaatorite tulemuslikkust eesti keele analüüsimisel. Võrdlusesse valitud sõltuvussüntaksi analüsaatorid on: MaltParser, spaCy, Stanford’i neuroanalüsaator (nndep), SyntaxNet ja UDPipe. Hindamiseks kasutati peamiselt märgendatud seoste täpsust (Labelled Attachment Score), märgendamata seoste täpsust (Unlabelled Attachment Score) ning märgenduse täpsust (Label Accuracy). Magistritöö käigus treeniti spaCy, Stanfordi neuroparseri ning UDParseri mudelid eesti keele süntaksi analüüsimiseks, MaltParseri ja SyntaksNet’i jaoks kasutati eksperimentides olemasolevaid eeltreenitud mudeleid.Natural Language Processing (NLP) technology has been constantly developing and has seen a vast improvement in the last couple of decades. One key task in NLP is dependency parsing that oftentimes is a prerequisite for many other tasks such as machine translation, Named Entity Recognition (NER) and so on. The idea of dependency parsing is to perform a syntactic analysis of a sentence and extract the grammatical relations among the words in that sentence. Most research on dependency parsing has been focusing on English text parsing. In this thesis, an effort has been made to evaluate and compare the performance of some of the state-of-the-art dependency parsers in parsing Estonian. The dependency parsers chosen for evaluation are: MaltParser, spaCy, Stanford neural network dependency parser (nndep), SyntaxNet and UDPipe. The comparison is done using mainly Labelled Attachment Score (LAS), Unlabelled Attachment Score (UAS) and Label Accuracy (LA). New models for Estonian were trained for the spaCy, Stanford nndep and UDPipe parsers while pretrained models for the MaltParser and SyntaxNet were used in the experiments

Improving the Arc-Eager Model with Reverse Parsing

A known way to improve the accuracy of dependency parsers is to combine several different parsing algorithms, in such a way that the weaknesses of each of the models can be compensated by the strengths of others. For example, voting-based combination schemes are based on variants of the idea of analyzing each sentence with various parsers, and constructing a combined output where the head of each node is determined by "majority vote" among the different parsers. Typically, such approaches combine very different parsing models to take advantage of the variability in the parsing errors they make. In this paper, we show that consistent improvements in accuracy can be obtained in a much simpler way by combining a single parser with itself. In particular, we start with a greedy implementation of the Nivre pseudo-projective arc-eager algorithm, a well-known left-to-right transition-based parser, and we combine it with a "mirrored" version of the algorithm that analyzes sentences from right to left. To determine which of the two obtained outputs we trust for the head of each node, we use simple criteria based on the length and position of dependency arcs. Experiments on several datasets from the CoNLL-X shared task and the WSJ section of the English Penn Treebank show that the novel combination system obtains better performance than the baseline arc-eager parser in all cases. To test the generality of the approach, we also perform experiments with a different transition system (arc-standard) and a different search strategy (beam search), obtaining similar improvements in all these settings

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