Robust Unsupervised Cross-Lingual Word Embedding using Domain Flow Interpolation

This paper investigates an unsupervised approach towards deriving a universal, cross-lingual word embedding space, where words with similar semantics from different languages are close to one another. Previous adversarial approaches have shown promising results in inducing cross-lingual word embedding without parallel data. However, the training stage shows instability for distant language pairs. Instead of mapping the source language space directly to the target language space, we propose to make use of a sequence of intermediate spaces for smooth bridging. Each intermediate space may be conceived as a pseudo-language space and is introduced via simple linear interpolation. This approach is modeled after domain flow in computer vision, but with a modified objective function. Experiments on intrinsic Bilingual Dictionary Induction tasks show that the proposed approach can improve the robustness of adversarial models with comparable and even better precision. Further experiments on the downstream task of Cross-Lingual Natural Language Inference show that the proposed model achieves significant performance improvement for distant language pairs in downstream tasks compared to state-of-the-art adversarial and non-adversarial models

Robust input representations for low-resource information extraction

Recent advances in the field of natural language processing were achieved with deep learning models. This led to a wide range of new research questions concerning the stability of such large-scale systems and their applicability beyond well-studied tasks and datasets, such as information extraction in non-standard domains and languages, in particular, in low-resource environments. In this work, we address these challenges and make important contributions across fields such as representation learning and transfer learning by proposing novel model architectures and training strategies to overcome existing limitations, including a lack of training resources, domain mismatches and language barriers. In particular, we propose solutions to close the domain gap between representation models by, e.g., domain-adaptive pre-training or our novel meta-embedding architecture for creating a joint representations of multiple embedding methods. Our broad set of experiments demonstrates state-of-the-art performance of our methods for various sequence tagging and classification tasks and highlight their robustness in challenging low-resource settings across languages and domains.Die jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der Verarbeitung natürlicher Sprache wurden mit Deep-Learning-Modellen erzielt. Dies führte zu einer Vielzahl neuer Forschungsfragen bezüglich der Stabilität solcher großen Systeme und ihrer Anwendbarkeit über gut untersuchte Aufgaben und Datensätze hinaus, wie z. B. die Informationsextraktion für Nicht-Standardsprachen, aber auch Textdomänen und Aufgaben, für die selbst im Englischen nur wenige Trainingsdaten zur Verfügung stehen. In dieser Arbeit gehen wir auf diese Herausforderungen ein und leisten wichtige Beiträge in Bereichen wie Repräsentationslernen und Transferlernen, indem wir neuartige Modellarchitekturen und Trainingsstrategien vorschlagen, um bestehende Beschränkungen zu überwinden, darunter fehlende Trainingsressourcen, ungesehene Domänen und Sprachbarrieren. Insbesondere schlagen wir Lösungen vor, um die Domänenlücke zwischen Repräsentationsmodellen zu schließen, z.B. durch domänenadaptives Vortrainieren oder unsere neuartige Meta-Embedding-Architektur zur Erstellung einer gemeinsamen Repräsentation mehrerer Embeddingmethoden. Unsere umfassende Evaluierung demonstriert die Leistungsfähigkeit unserer Methoden für verschiedene Klassifizierungsaufgaben auf Word und Satzebene und unterstreicht ihre Robustheit in anspruchsvollen, ressourcenarmen Umgebungen in verschiedenen Sprachen und Domänen

Cross-Domain information extraction from scientific articles for research knowledge graphs

Today’s scholarly communication is a document-centred process and as such, rather inefficient. Fundamental contents of research papers are not accessible by computers since they are only present in unstructured PDF files. Therefore, current research infrastructures are not able to assist scientists appropriately in their core research tasks. This thesis addresses this issue and proposes methods to automatically extract relevant information from scientific articles for Research Knowledge Graphs (RKGs) that represent scholarly knowledge structured and interlinked. First, this thesis conducts a requirements analysis for an Open Research Knowledge Graph (ORKG). We present literature-related use cases of researchers that should be supported by an ORKG-based system and their specific requirements for the underlying ontology and instance data. Based on this analysis, the identified use cases are categorised into two groups: The first group of use cases needs manual or semi-automatic approaches for knowledge graph (KG) construction since they require high correctness of the instance data. The second group requires high completeness and can tolerate noisy instance data. Thus, this group needs automatic approaches for KG population. This thesis focuses on the second group of use cases and provides contributions for machine learning tasks that aim to support them. To assess the relevance of a research paper, scientists usually skim through titles, abstracts, introductions, and conclusions. An organised presentation of the articles' essential information would make this process more time-efficient. The task of sequential sentence classification addresses this issue by classifying sentences in an article in categories like research problem, used methods, or obtained results. To address this problem, we propose a novel unified cross-domain multi-task deep learning approach that makes use of datasets from different scientific domains (e.g. biomedicine and computer graphics) and varying structures (e.g. datasets covering either only abstracts or full papers). Our approach outperforms the state of the art on full paper datasets significantly while being competitive for datasets consisting of abstracts. Moreover, our approach enables the categorisation of sentences in a domain-independent manner. Furthermore, we present the novel task of domain-independent information extraction to extract scientific concepts from research papers in a domain-independent manner. This task aims to support the use cases find related work and get recommended articles. For this purpose, we introduce a set of generic scientific concepts that are relevant over ten domains in Science, Technology, and Medicine (STM) and release an annotated dataset of 110 abstracts from these domains. Since the annotation of scientific text is costly, we suggest an active learning strategy based on a state-of-the-art deep learning approach. The proposed method enables us to nearly halve the amount of required training data. Then, we extend this domain-independent information extraction approach with the task of \textit{coreference resolution}. Coreference resolution aims to identify mentions that refer to the same concept or entity. Baseline results on our corpus with current state-of-the-art approaches for coreference resolution showed that current approaches perform poorly on scientific text. Therefore, we propose a sequential transfer learning approach that exploits annotated datasets from non-academic domains. Our experimental results demonstrate that our approach noticeably outperforms the state-of-the-art baselines. Additionally, we investigate the impact of coreference resolution on KG population. We demonstrate that coreference resolution has a small impact on the number of resulting concepts in the KG, but improved its quality significantly. Consequently, using our domain-independent information extraction approach, we populate an RKG from 55,485 abstracts of the ten investigated STM domains. We show that every domain mainly uses its own terminology and that the populated RKG contains useful concepts. Moreover, we propose a novel approach for the task of \textit{citation recommendation}. This task can help researchers improve the quality of their work by finding or recommending relevant related work. Our approach exploits RKGs that interlink research papers based on mentioned scientific concepts. Using our automatically populated RKG, we demonstrate that the combination of information from RKGs with existing state-of-the-art approaches is beneficial. Finally, we conclude the thesis and sketch possible directions of future work.Die Kommunikation von Forschungsergebnissen erfolgt heutzutage in Form von Dokumenten und ist aus verschiedenen Gründen ineffizient. Wesentliche Inhalte von Forschungsarbeiten sind für Computer nicht zugänglich, da sie in unstrukturierten PDF-Dateien verborgen sind. Daher können derzeitige Forschungsinfrastrukturen Forschende bei ihren Kernaufgaben nicht angemessen unterstützen. Diese Arbeit befasst sich mit dieser Problemstellung und untersucht Methoden zur automatischen Extraktion von relevanten Informationen aus Forschungspapieren für Forschungswissensgraphen (Research Knowledge Graphs). Solche Graphen sollen wissenschaftliches Wissen maschinenlesbar strukturieren und verknüpfen. Zunächst wird eine Anforderungsanalyse für einen Open Research Knowledge Graph (ORKG) durchgeführt. Wir stellen literaturbezogene Anwendungsfälle von Forschenden vor, die durch ein ORKG-basiertes System unterstützt werden sollten, und deren spezifische Anforderungen an die zugrundeliegende Ontologie und die Instanzdaten. Darauf aufbauend werden die identifizierten Anwendungsfälle in zwei Gruppen eingeteilt: Die erste Gruppe von Anwendungsfällen benötigt manuelle oder halbautomatische Ansätze für die Konstruktion eines ORKG, da sie eine hohe Korrektheit der Instanzdaten erfordern. Die zweite Gruppe benötigt eine hohe Vollständigkeit der Instanzdaten und kann fehlerhafte Daten tolerieren. Daher erfordert diese Gruppe automatische Ansätze für die Konstruktion des ORKG. Diese Arbeit fokussiert sich auf die zweite Gruppe von Anwendungsfällen und schlägt Methoden für maschinelle Aufgabenstellungen vor, die diese Anwendungsfälle unterstützen können. Um die Relevanz eines Forschungsartikels effizient beurteilen zu können, schauen sich Forschende in der Regel die Titel, Zusammenfassungen, Einleitungen und Schlussfolgerungen an. Durch eine strukturierte Darstellung von wesentlichen Informationen des Artikels könnte dieser Prozess zeitsparender gestaltet werden. Die Aufgabenstellung der sequenziellen Satzklassifikation befasst sich mit diesem Problem, indem Sätze eines Artikels in Kategorien wie Forschungsproblem, verwendete Methoden oder erzielte Ergebnisse automatisch klassifiziert werden. In dieser Arbeit wird für diese Aufgabenstellung ein neuer vereinheitlichter Multi-Task Deep-Learning-Ansatz vorgeschlagen, der Datensätze aus verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen (z. B. Biomedizin und Computergrafik) mit unterschiedlichen Strukturen (z. B. Datensätze bestehend aus Zusammenfassungen oder vollständigen Artikeln) nutzt. Unser Ansatz übertrifft State-of-the-Art-Verfahren der Literatur auf Benchmark-Datensätzen bestehend aus vollständigen Forschungsartikeln. Außerdem ermöglicht unser Ansatz die Klassifizierung von Sätzen auf eine domänenunabhängige Weise. Darüber hinaus stellen wir die neue Aufgabenstellung domänenübergreifende Informationsextraktion vor. Hierbei werden, unabhängig vom behandelten wissenschaftlichen Fachgebiet, inhaltliche Konzepte aus Forschungspapieren extrahiert. Damit sollen die Anwendungsfälle Finden von verwandten Arbeiten und Empfehlung von Artikeln unterstützt werden. Zu diesem Zweck führen wir eine Reihe von generischen wissenschaftlichen Konzepten ein, die in zehn Bereichen der Wissenschaft, Technologie und Medizin (STM) relevant sind, und veröffentlichen einen annotierten Datensatz von 110 Zusammenfassungen aus diesen Bereichen. Da die Annotation wissenschaftlicher Texte aufwändig ist, kombinieren wir ein Active-Learning-Verfahren mit einem aktuellen Deep-Learning-Ansatz, um die notwendigen Trainingsdaten zu reduzieren. Die vorgeschlagene Methode ermöglicht es uns, die Menge der erforderlichen Trainingsdaten nahezu zu halbieren. Anschließend erweitern wir unseren domänenunabhängigen Ansatz zur Informationsextraktion um die Aufgabe der Koreferenzauflösung. Die Auflösung von Koreferenzen zielt darauf ab, Erwähnungen zu identifizieren, die sich auf dasselbe Konzept oder dieselbe Entität beziehen. Experimentelle Ergebnisse auf unserem Korpus mit aktuellen Ansätzen zur Koreferenzauflösung haben gezeigt, dass diese bei wissenschaftlichen Texten unzureichend abschneiden. Daher schlagen wir eine Transfer-Learning-Methode vor, die annotierte Datensätze aus nicht-akademischen Bereichen nutzt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass unser Ansatz deutlich besser abschneidet als die bisherigen Ansätze. Darüber hinaus untersuchen wir den Einfluss der Koreferenzauflösung auf die Erstellung von Wissensgraphen. Wir zeigen, dass diese einen geringen Einfluss auf die Anzahl der resultierenden Konzepte in dem Wissensgraphen hat, aber die Qualität des Wissensgraphen deutlich verbessert. Mithilfe unseres domänenunabhängigen Ansatzes zur Informationsextraktion haben wir aus 55.485 Zusammenfassungen der zehn untersuchten STM-Domänen einen Forschungswissensgraphen erstellt. Unsere Analyse zeigt, dass jede Domäne hauptsächlich ihre eigene Terminologie verwendet und dass der erstellte Wissensgraph nützliche Konzepte enthält. Schließlich schlagen wir einen Ansatz für die Empfehlung von passenden Referenzen vor. Damit können Forschende einfacher relevante verwandte Arbeiten finden oder passende Empfehlungen erhalten. Unser Ansatz nutzt Forschungswissensgraphen, die Forschungsarbeiten mit in ihnen erwähnten wissenschaftlichen Konzepten verknüpfen. Wir zeigen, dass aktuelle Verfahren zur Empfehlung von Referenzen von zusätzlichen Informationen aus einem automatisch erstellten Wissensgraphen profitieren. Zum Schluss wird ein Fazit gezogen und ein Ausblick für mögliche zukünftige Arbeiten gegeben

From Free Text to Clusters of Content in Health Records: An Unsupervised Graph Partitioning Approach

Electronic Healthcare records contain large volumes of unstructured data in different forms. Free text constitutes a large portion of such data, yet this source of richly detailed information often remains under-used in practice because of a lack of suitable methodologies to extract interpretable content in a timely manner. Here we apply network-theoretical tools to the analysis of free text in Hospital Patient Incident reports in the English National Health Service, to find clusters of reports in an unsupervised manner and at different levels of resolution based directly on the free text descriptions contained within them. To do so, we combine recently developed deep neural network text-embedding methodologies based on paragraph vectors with multi-scale Markov Stability community detection applied to a similarity graph of documents obtained from sparsified text vector similarities. We showcase the approach with the analysis of incident reports submitted in Imperial College Healthcare NHS Trust, London. The multiscale community structure reveals levels of meaning with different resolution in the topics of the dataset, as shown by relevant descriptive terms extracted from the groups of records, as well as by comparing a posteriori against hand-coded categories assigned by healthcare personnel. Our content communities exhibit good correspondence with well-defined hand-coded categories, yet our results also provide further medical detail in certain areas as well as revealing complementary descriptors of incidents beyond the external classification. We also discuss how the method can be used to monitor reports over time and across different healthcare providers, and to detect emerging trends that fall outside of pre-existing categories.Comment: 25 pages, 2 tables, 8 figures and 5 supplementary figure

Gender bias in natural language processing

(English) Gender bias is a dangerous form of social bias impacting an essential group of people. The effect of gender bias is propagated to our data, causing the accuracy of the predictions in models to be different depending on gender. In the deep learning era, our models are highly impacted by the training data transferring the negative biases in the data to the models. Natural Language Processing models encounter this amplification of bias in the data. Our thesis is devoted to studying the issue of gender bias in NLP applications from different points of view. To understand and manage the effect of bias amplification, evaluation and mitigation approaches have to be explored. The scientific society has exerted significant efforts in these two directions to enable proposing solutions to the problem. Our thesis is devoted to these two main directions; proposing evaluation schemes, whether as datasets or mechanisms, besides suggesting mitigation techniques. For evaluation, we proposed techniques for evaluating bias in contextualized embeddings and multilingual translation models. Besides, we presented benchmarks for evaluating bias for speech translation and multilingual machine translation models. For mitigation direction, we proposed different approaches in machine translation models by adding contextual text, contextual embeddings, or relaxing the architecture’s constraints. Our evaluation studies concluded that gender bias is encoded strongly in contextual embeddings representing professions and stereotypical nouns. We also unveiled that algorithms amplify the bias and that the system’s architecture impacts the behavior. For the evaluation purposes, we contributed to creating several benchmarks for the evaluation purpose; we introduced a benchmark that evaluates gender bias in speech translation systems. This research suggests that the current state of speech translation systems does not enable us to evaluate gender bias accurately because of the low quality of speech translation systems. Additionally, we proposed a toolkit for building multilingual balanced datasets for training and evaluating NMT models. These datasets are balanced within the gender occupation-wise. We found out that high-resource languages usually tend to predict more precise male translations. Our mitigation studies in NMT suggest that the nature of datasets and languages needs to be considered to apply the right approach. Mitigating bias can rely on adding contextual information. However, in other cases, we need to rethink the model and relax some influencing conditions to the bias that do not affect the general performance but reduce the effect of bias amplification.(Español) El prejuicio de género es una forma peligrosa de sesgo social que afecta a un grupo esencial de personas. El efecto del prejuicio de género se propaga a nuestros datos, lo que hace quela precisión de las predicciones en los modelos sea diferente según el género. En la era del aprendizaje profundo, nuestros modelos se ven afectados por los datos de entrenamiento que transfieren los prejuicios de los datos a los modelos. Los modelos de procesamiento del lenguaje natural pueden además amplificar este sesgo en los datos. Para comprender el efecto de la amplificación del prejuicio de género, se deben explorar enfoques de evaluación y mitigación. La sociedad científica ha visto la importancía de estas dos direcciones para posibilitar la propuesta de soluciones al problema. Nuestra tesis está dedicada a estas dos direcciones principales; proponiendo esquemas de evaluación, ya sea como conjuntos de datos y mecanismos de evaluación, además de sugerir técnicas de mitigación. Para la evaluación, propusimos técnicas para evaluar el prejuicio en representaciones vectoriales contextualizadas y modelos de traducción multilingüe. Además, presentamos puntos de referencia para evaluar el prejuicio de la traducción de voz y los modelos de traducción automática multilingüe. Para la dirección de mitigación, propusimos diferentes enfoques en los modelos de traducción automática agregando texto contextual, incrustaciones contextuales o relajando las restricciones de la arquitectura. Nuestros estudios de evaluación concluyeron que el prejuicio de género está fuertemente codificado en representaciones vectoriales contextuales que representan profesiones y sustantivos estereotipados. También revelamos que los algoritmos amplifican el sesgo y que la arquitectura del sistema afecta el comportamiento. Para efectos de evaluación, contribuimos a la creación de varios datos de referencia para fines de evaluación; presentamos un conjunto de datos que evalúa el sesgo de género en los sistemas de traducción de voz. Esta investigación sugiere que el estado actual de los sistemas de traducción del habla no nos permite evaluar con precisión el sesgo de género debido a la baja calidad de los sistemas de traducción del habla. Además, propusimos un conjunto de herramientas para construir conjuntos de datos equilibrados multilingües para entrenar y evaluar modelos NMT. Estos conjuntos de datos están equilibrados dentro de la ocupación de género. Descubrimos que los idiomas con muchos recursos generalmente tienden a predecir traducciones masculinas más precisas. Nuestros estudios de mitigación en NMT sugieren que se debe considerar la naturaleza de los conjuntos de datos y los idiomas para aplicar el enfoque correcto. La mitigación del sesgo puede basarse en agregar información contextual. Sin embargo, en otros casos, necesitamos repensar el modelo y relajar algunas condiciones que influyen en el sesgo que no afectan el rendimiento general pero reducen el efecto de la amplificación del sesgo.Postprint (published version

Making Presentation Math Computable

This Open-Access-book addresses the issue of translating mathematical expressions from LaTeX to the syntax of Computer Algebra Systems (CAS). Over the past decades, especially in the domain of Sciences, Technology, Engineering, and Mathematics (STEM), LaTeX has become the de-facto standard to typeset mathematical formulae in publications. Since scientists are generally required to publish their work, LaTeX has become an integral part of today's publishing workflow. On the other hand, modern research increasingly relies on CAS to simplify, manipulate, compute, and visualize mathematics. However, existing LaTeX import functions in CAS are limited to simple arithmetic expressions and are, therefore, insufficient for most use cases. Consequently, the workflow of experimenting and publishing in the Sciences often includes time-consuming and error-prone manual conversions between presentational LaTeX and computational CAS formats. To address the lack of a reliable and comprehensive translation tool between LaTeX and CAS, this thesis makes the following three contributions. First, it provides an approach to semantically enhance LaTeX expressions with sufficient semantic information for translations into CAS syntaxes. Second, it demonstrates the first context-aware LaTeX to CAS translation framework LaCASt. Third, the thesis provides a novel approach to evaluate the performance for LaTeX to CAS translations on large-scaled datasets with an automatic verification of equations in digital mathematical libraries. This is an open access book

Making Presentation Math Computable

This Open-Access-book addresses the issue of translating mathematical expressions from LaTeX to the syntax of Computer Algebra Systems (CAS). Over the past decades, especially in the domain of Sciences, Technology, Engineering, and Mathematics (STEM), LaTeX has become the de-facto standard to typeset mathematical formulae in publications. Since scientists are generally required to publish their work, LaTeX has become an integral part of today's publishing workflow. On the other hand, modern research increasingly relies on CAS to simplify, manipulate, compute, and visualize mathematics. However, existing LaTeX import functions in CAS are limited to simple arithmetic expressions and are, therefore, insufficient for most use cases. Consequently, the workflow of experimenting and publishing in the Sciences often includes time-consuming and error-prone manual conversions between presentational LaTeX and computational CAS formats. To address the lack of a reliable and comprehensive translation tool between LaTeX and CAS, this thesis makes the following three contributions. First, it provides an approach to semantically enhance LaTeX expressions with sufficient semantic information for translations into CAS syntaxes. Second, it demonstrates the first context-aware LaTeX to CAS translation framework LaCASt. Third, the thesis provides a novel approach to evaluate the performance for LaTeX to CAS translations on large-scaled datasets with an automatic verification of equations in digital mathematical libraries. This is an open access book