Convergence and Diversity in the Control Hierarchy

Weir has defined a hierarchy of language classes whose second member ($\mathcal{L}_2$) is generated by tree-adjoining grammars (TAG), linear indexed grammars (LIG), combinatory categorial grammars, and head grammars. The hierarchy is obtained using the mechanism of control, and $\mathcal{L}_2$ is obtained using a context-free grammar (CFG) whose derivations are controlled by another CFG. We adapt Weir's definition of a controllable CFG to give a definition of controllable pushdown automata (PDAs). This yields three new characterizations of $\mathcal{L}_2$ as the class of languages generated by PDAs controlling PDAs, PDAs controlling CFGs, and CFGs controlling PDAs. We show that these four formalisms are not only weakly equivalent but equivalent in a stricter sense that we call d-weak equivalence. Furthermore, using an even stricter notion of equivalence called d-strong equivalence, we make precise the intuition that a CFG controlling a CFG is a TAG, a PDA controlling a PDA is an embedded PDA, and a PDA controlling a CFG is a LIG. The fourth member of this family, a CFG controlling a PDA, does not correspond to any formalism we know of, so we invent one and call it a Pushdown Adjoining Automaton.Comment: 18 pages, 7 figures. Accepted at ACL 202

Unifying synchronous tree-adjoining grammars and tree transducers via bimorphisms.

We place synchronous tree-adjoining grammars and tree transducers in the single overarching framework of bimorphisms, continuing the unification of synchronous grammars and tree transducers initiated by Shieber (2004). Along the way, we present a new definition of the tree-adjoining grammar derivation relation based on a novel direct inter-reduction of TAG and monadic macro tree transducers.Engineering and Applied Science

Multiple Context-Free Tree Grammars: Lexicalization and Characterization

Multiple (simple) context-free tree grammars are investigated, where "simple" means "linear and nondeleting". Every multiple context-free tree grammar that is finitely ambiguous can be lexicalized; i.e., it can be transformed into an equivalent one (generating the same tree language) in which each rule of the grammar contains a lexical symbol. Due to this transformation, the rank of the nonterminals increases at most by 1, and the multiplicity (or fan-out) of the grammar increases at most by the maximal rank of the lexical symbols; in particular, the multiplicity does not increase when all lexical symbols have rank 0. Multiple context-free tree grammars have the same tree generating power as multi-component tree adjoining grammars (provided the latter can use a root-marker). Moreover, every multi-component tree adjoining grammar that is finitely ambiguous can be lexicalized. Multiple context-free tree grammars have the same string generating power as multiple context-free (string) grammars and polynomial time parsing algorithms. A tree language can be generated by a multiple context-free tree grammar if and only if it is the image of a regular tree language under a deterministic finite-copying macro tree transducer. Multiple context-free tree grammars can be used as a synchronous translation device.Comment: 78 pages, 13 figure

On TAG and Multicomponent TAG Parsing

The notion of mild context-sensitivity is an attempt to express the formal power needed to define the syntax of natural languages. However, all incarnati- ons of mildly context-sensitive formalisms are not equivalent. On the one hand, near the bottom of the hierarchy, we find tree adjoining grammars and, on the other hand, near the top of the hierarchy, we find multicomponent tree adjoining grammars. This paper proposes a polynomial parse time method for these two tree rewriting formalisms. This method uses range concatenation grammars as a high-level intermediate definition formalism, and yields several algorithms. Range concatenation grammar is a syntactic formalism which is both powerful, in so far as it extends linear context-free rewriting systems, and efficient, in so far as its sentences can be parsed in polynomial time. We show that any unrestricted tree adjoining grammar can be transformed into an equivalent range concatenation grammar which can be parsed in O(n6) time, and, moreover, if the input tree adjoining grammar has some restricted form, its parse time decreases to O(n5). We generalize one of these algorithms in order to process multicomponent tree adjoining grammars. We show some upper bounds on their parse times, and we introduce a hierarchy of restricted forms which can be parsed more efficiently. Our approach aims at giving both a new insight into the multicomponent adjunction mechanism and at providing a practical implementation scheme

Non-self-embedding linear context-free tree grammars generate regular tree languages

For the class of linear context-free tree grammars, we define a decidable property called self-embedding. We prove that each non-self-embedding grammar in this class generates a regular tree language and show how to construct the equivalent regular tree grammar.PostprintPeer reviewe

Parsing and Evaluation. Improving Dependency Grammars Accuracy. Anàlisi Sintàctica Automàtica i Avaluació. Millora de qualitat per a Gramàtiques de Dependències

Because parsers are still limited in analysing specific ambiguous constructions, the research presented in this thesis mainly aims to contribute to the improvement of parsing performance when it has knowledge integrated in order to deal with ambiguous linguistic phenomena. More precisely, this thesis intends to provide empirical solutions to the disambiguation of prepositional phrase attachment and argument recognition in order to assist parsers in generating a more accurate syntactic analysis. The disambiguation of these two highly ambiguous linguistic phenomena by the integration of knowledge about the language necessarily relies on linguistic and statistical strategies for knowledge acquisition. The starting point of this research proposal is the development of a rule-based grammar for Spanish and for Catalan following the theoretical basis of Dependency Grammar (Tesnière, 1959; Mel’čuk, 1988) in order to carry out two experiments about the integration of automatically- acquired knowledge. In order to build two robust grammars that understand a sentence, the FreeLing pipeline (Padró et al., 2010) has been used as a framework. On the other hand, an eclectic repertoire of criteria about the nature of syntactic heads is proposed by reviewing the postulates of Generative Grammar (Chomsky, 1981; Bonet and Solà, 1986; Haegeman, 1991) and Dependency Grammar (Tesnière, 1959; Mel’čuk, 1988). Furthermore, a set of dependency relations is provided and mapped to Universal Dependencies (Mcdonald et al., 2013). Furthermore, an empirical evaluation method has been designed in order to carry out both a quantitative and a qualitative analysis. In particular, the dependency parsed trees generated by the grammars are compared to real linguistic data. The quantitative evaluation is based on the Spanish Tibidabo Treebank (Marimon et al., 2014), which is large enough to carry out a real analysis of the grammars performance and which has been annotated with the same formalism as the grammars, syntactic dependencies. Since the criteria between both resources are differ- ent, a process of harmonization has been applied developing a set of rules that automatically adapt the criteria of the corpus to the grammar criteria. With regard to qualitative evaluation, there are no available resources to evaluate Spanish and Catalan dependency grammars quali- tatively. For this reason, a test suite of syntactic phenomena about structure and word order has been built. In order to create a representative repertoire of the languages observed, descriptive grammars (Bosque and Demonte, 1999; Solà et al., 2002) and the SenSem Corpus (Vázquez and Fernández-Montraveta, 2015) have been used for capturing relevant structures and word order patterns, respectively. Thanks to these two tools, two experiments have been carried out in order to prove that knowl- edge integration improves the parsing accuracy. On the one hand, the automatic learning of lan- guage models has been explored by means of statistical methods in order to disambiguate PP- attachment. More precisely, a model has been learned with a supervised classifier using Weka (Witten and Frank, 2005). Furthermore, an unsupervised model based on word embeddings has been applied (Mikolov et al., 2013a,b). The results of the experiment show that the supervised method is limited in predicting solutions for unseen data, which is resolved by the unsupervised method since provides a solution for any case. However, the unsupervised method is limited if it Parsing and Evaluation Improving Dependency Grammars Accuracy only learns from lexical data. For this reason, training data needs to be enriched with the lexical value of the preposition, as well as semantic and syntactic features. In addition, the number of patterns used to learn language models has to be extended in order to have an impact on the grammars. On the other hand, another experiment is carried out in order to improve the argument recog- nition in the grammars by the acquisition of linguistic knowledge. In this experiment, knowledge is acquired automatically from the extraction of verb subcategorization frames from the SenSem Corpus (Vázquez and Fernández-Montraveta, 2015) which contains the verb predicate and its arguments annotated syntactically. As a result of the information extracted, subcategorization frames have been classified into subcategorization classes regarding the patterns observed in the corpus. The results of the subcategorization classes integration in the grammars prove that this information increases the accuracy of the argument recognition in the grammars. The results of the research of this thesis show that grammars’ rules on their own are not ex- pressive enough to resolve complex ambiguities. However, the integration of knowledge about these ambiguities in the grammars may be decisive in the disambiguation. On the one hand, sta- tistical knowledge about PP-attachment can improve the grammars accuracy, but syntactic and semantic information, and new patterns of PP-attachment need to be included in the language models in order to contribute to disambiguate this phenomenon. On the other hand, linguistic knowledge about verb subcategorization acquired from annotated linguistic resources show a positive influence positively on grammars’ accuracy.Aquesta tesi vol tractar les limitacions amb què es troben els analitzadors sintàctics automàtics actualment. Tot i els progressos que s’han fet en l’àrea del Processament del Llenguatge Nat- ural en els darrers anys, les tecnologies del llenguatge i, en particular, els analitzadors sintàc- tics automàtics no han pogut traspassar el llindar de certes ambiguïtats estructurals com ara l’agrupació del sintagma preposicional i el reconeixement d’arguments. És per aquest motiu que la recerca duta a terme en aquesta tesi té com a objectiu aportar millores signiflcatives de quali- tat a l’anàlisi sintàctica automàtica per mitjà de la integració de coneixement lingüístic i estadístic per desambiguar construccions sintàctiques ambigües. El punt de partida de la recerca ha estat el desenvolupament de d’una gramàtica en espanyol i una altra en català basades en regles que segueixen els postulats de la Gramàtica de Dependèn- dencies (Tesnière, 1959; Mel’čuk, 1988) per tal de dur a terme els experiments sobre l’adquisició de coneixement automàtic. Per tal de crear dues gramàtiques robustes que analitzin i entenguin l’oració en profunditat, ens hem basat en l’arquitectura de FreeLing (Padró et al., 2010), una lli- breria de Processament de Llenguatge Natural que proveeix una anàlisi lingüística automàtica de l’oració. Per una altra banda, s’ha elaborat una proposta eclèctica de criteris lingüístics per determinar la formació dels sintagmes i les clàusules a la gramàtica per mitjà de la revisió de les propostes teòriques de la Gramàtica Generativa (Chomsky, 1981; Bonet and Solà, 1986; Haege- man, 1991) i de la Gramàtica de Dependències (Tesnière, 1959; Mel’čuk, 1988). Aquesta proposta s’acompanya d’un llistat de les etiquetes de relació de dependència que fan servir les regles de les gramàtques. A més a més de l’elaboració d’aquest llistat, s’han establert les correspondències amb l’estàndard d’anotació de les Dependències Universals (Mcdonald et al., 2013). Alhora, s’ha dissenyat un sistema d’avaluació empíric que té en compte l’anàlisi quantitativa i qualitativa per tal de fer una valoració completa dels resultats dels experiments. Precisament, es tracta una tasca empírica pel fet que es comparen les anàlisis generades per les gramàtiques amb dades reals de la llengua. Per tal de dur a terme l’avaluació des d’una perspectiva quan- titativa, s’ha fet servir el corpus Tibidabo en espanyol (Marimon et al., 2014) disponible només en espanyol que és prou extens per construir una anàlisi real de les gramàtiques i que ha estat anotat amb el mateix formalisme que les gramàtiques. En concret, per tal com els criteris de les gramàtiques i del corpus no són coincidents, s’ha dut a terme un procés d’harmonització de cri- teris per mitjà d’unes regles creades manualment que adapten automàticament l’estructura i la relació de dependència del corpus al criteri de les gramàtiques. Pel que fa a l’avaluació qualitativa, pel fet que no hi ha recursos disponibles en espanyol i català, hem dissenyat un reprertori de test de fenòmens sintàctics estructurals i relacionats amb l’ordre de l’oració. Amb l’objectiu de crear un repertori representatiu de les llengües estudiades, s’han fet servir gramàtiques descriptives per fornir el repertori d’estructures sintàctiques (Bosque and Demonte, 1999; Solà et al., 2002) i el Corpus SenSem (Vázquez and Fernández-Montraveta, 2015) per capturar automàticament l’ordre oracional. Gràcies a aquestes dues eines, s’han pogut dur a terme dos experiments per provar que la integració de coneixement en l’anàlisi sintàctica automàtica en millora la qualitat. D’una banda, Parsing and Evaluation Improving Dependency Grammars Accuracy s’ha explorat l’aprenentatge de models de llenguatge per mitjà de models estadístics per tal de proposar solucions a l’agrupació del sintagma preposicional. Més concretament, s’ha desen- volupat un model de llenguatge per mitjà d’un classiflcador d’aprenentatge supervisat de Weka (Witten and Frank, 2005). A més a més, s’ha après un model de llenguatge per mitjà d’un mètode no supervisat basat en l’aproximació distribucional anomenat word embeddings (Mikolov et al., 2013a,b). Els resultats de l’experiment posen de manifest que el mètode supervisat té greus lim- itacions per fer donar una resposta en dades que no ha vist prèviament, cosa que és superada pel mètode no supervisat pel fet que és capaç de classiflcar qualsevol cas. De tota manera, el mètode no supervisat que s’ha estudiat és limitat si aprèn a partir de dades lèxiques. Per aquesta raó, és necessari que les dades utilitzades per entrenar el model continguin el valor de la preposi- ció, trets sintàctics i semàntics. A més a més, cal ampliar el número de patrons apresos per tal d’ampliar la cobertura dels models i tenir un impacte en els resultats de les gramàtiques. D’una altra banda, s’ha proposat una manera de millorar el reconeixement d’arguments a les gramàtiques per mitjà de l’adquisició de coneixement lingüístic. En aquest experiment, s’ha op- tat per extreure automàticament el coneixement en forma de classes de subcategorització verbal d’el Corpus SenSem (Vázquez and Fernández-Montraveta, 2015), que conté anotats sintàctica- ment el predicat verbal i els seus arguments. A partir de la informació extreta, s’ha classiflcat les diverses diàtesis verbals en classes de subcategorització verbal en funció dels patrons observats en el corpus. Els resultats de la integració de les classes de subcategorització a les gramàtiques mostren que aquesta informació determina positivament el reconeixement dels arguments. Els resultats de la recerca duta a terme en aquesta tesi doctoral posen de manifest que les regles de les gramàtiques no són prou expressives per elles mateixes per resoldre ambigüitats complexes del llenguatge. No obstant això, la integració de coneixement sobre aquestes am- bigüitats pot ser decisiu a l’hora de proposar una solució. D’una banda, el coneixement estadístic sobre l’agrupació del sintagma preposicional pot millorar la qualitat de les gramàtiques, però per aflrmar-ho cal incloure informació sintàctica i semàntica en els models d’aprenentatge automàtic i capturar més patrons per contribuir en la desambiguació de fenòmens complexos. D’una al- tra banda, el coneixement lingüístic sobre subcategorització verbal adquirit de recursos lingüís- tics anotats influeix decisivament en la qualitat de les gramàtiques per a l’anàlisi sintàctica au- tomàtica