Discovery of Linguistic Relations Using Lexical Attraction

This work has been motivated by two long term goals: to understand how humans learn language and to build programs that can understand language. Using a representation that makes the relevant features explicit is a prerequisite for successful learning and understanding. Therefore, I chose to represent relations between individual words explicitly in my model. Lexical attraction is defined as the likelihood of such relations. I introduce a new class of probabilistic language models named lexical attraction models which can represent long distance relations between words and I formalize this new class of models using information theory. Within the framework of lexical attraction, I developed an unsupervised language acquisition program that learns to identify linguistic relations in a given sentence. The only explicitly represented linguistic knowledge in the program is lexical attraction. There is no initial grammar or lexicon built in and the only input is raw text. Learning and processing are interdigitated. The processor uses the regularities detected by the learner to impose structure on the input. This structure enables the learner to detect higher level regularities. Using this bootstrapping procedure, the program was trained on 100 million words of Associated Press material and was able to achieve 60% precision and 50% recall in finding relations between content-words. Using knowledge of lexical attraction, the program can identify the correct relations in syntactically ambiguous sentences such as ``I saw the Statue of Liberty flying over New York.''Comment: dissertation, 56 page

Exploiting word embeddings for modeling bilexical relations

There has been an exponential surge of text data in the recent years. As a consequence, unsupervised methods that make use of this data have been steadily growing in the field of natural language processing (NLP). Word embeddings are low-dimensional vectors obtained using unsupervised techniques on the large unlabelled corpora, where words from the vocabulary are mapped to vectors of real numbers. Word embeddings aim to capture syntactic and semantic properties of words. In NLP, many tasks involve computing the compatibility between lexical items under some linguistic relation. We call this type of relation a bilexical relation. Our thesis defines statistical models for bilexical relations that centrally make use of word embeddings. Our principle aim is that the word embeddings will favor generalization to words not seen during the training of the model. The thesis is structured in four parts. In the first part of this thesis, we present a bilinear model over word embeddings that leverages a small supervised dataset for a binary linguistic relation. Our learning algorithm exploits low-rank bilinear forms and induces a low-dimensional embedding tailored for a target linguistic relation. This results in compressed task-specific embeddings. In the second part of our thesis, we extend our bilinear model to a ternary setting and propose a framework for resolving prepositional phrase attachment ambiguity using word embeddings. Our models perform competitively with state-of-the-art models. In addition, our method obtains significant improvements on out-of-domain tests by simply using word-embeddings induced from source and target domains. In the third part of this thesis, we further extend the bilinear models for expanding vocabulary in the context of statistical phrase-based machine translation. Our model obtains a probabilistic list of possible translations of target language words, given a word in the source language. We do this by projecting pre-trained embeddings into a common subspace using a log-bilinear model. We empirically notice a significant improvement on an out-of-domain test set. In the final part of our thesis, we propose a non-linear model that maps initial word embeddings to task-tuned word embeddings, in the context of a neural network dependency parser. We demonstrate its use for improved dependency parsing, especially for sentences with unseen words. We also show downstream improvements on a sentiment analysis task.En els darrers anys hi ha hagut un sorgiment notable de dades en format textual. Conseqüentment, en el camp del Processament del Llenguatge Natural (NLP, de l'anglès "Natural Language Processing") s'han desenvolupat mètodes no supervistats que fan ús d'aquestes dades. Els anomenats "word embeddings", o embeddings de paraules, són vectors de dimensionalitat baixa que s'obtenen mitjançant tècniques no supervisades aplicades a corpus textuals de grans volums. Com a resultat, cada paraula del diccionari es correspon amb un vector de nombres reals, el propòsit del qual és capturar propietats sintàctiques i semàntiques de la paraula corresponent. Moltes tasques de NLP involucren calcular la compatibilitat entre elements lèxics en l'àmbit d'una relació lingüística. D'aquest tipus de relació en diem relació bilèxica. Aquesta tesi proposa models estadístics per a relacions bilèxiques que fan ús central d'embeddings de paraules, amb l'objectiu de millorar la generalització del model lingüístic a paraules no vistes durant l'entrenament. La tesi s'estructura en quatre parts. A la primera part presentem un model bilineal sobre embeddings de paraules que explota un conjunt petit de dades anotades sobre una relaxió bilèxica. L'algorisme d'aprenentatge treballa amb formes bilineals de poc rang, i indueix embeddings de poca dimensionalitat que estan especialitzats per la relació bilèxica per la qual s'han entrenat. Com a resultat, obtenim embeddings de paraules que corresponen a compressions d'embeddings per a una relació determinada. A la segona part de la tesi proposem una extensió del model bilineal a trilineal, i amb això proposem un nou model per a resoldre ambigüitats de sintagmes preposicionals que usa només embeddings de paraules. En una sèrie d'avaluacións, els nostres models funcionen de manera similar a l'estat de l'art. A més, el nostre mètode obté millores significatives en avaluacions en textos de dominis diferents al d'entrenament, simplement usant embeddings induïts amb textos dels dominis d'entrenament i d'avaluació. A la tercera part d'aquesta tesi proposem una altra extensió dels models bilineals per ampliar la cobertura lèxica en el context de models estadístics de traducció automàtica. El nostre model probabilístic obté, donada una paraula en la llengua d'origen, una llista de possibles traduccions en la llengua de destí. Fem això mitjançant una projecció d'embeddings pre-entrenats a un sub-espai comú, usant un model log-bilineal. Empíricament, observem una millora significativa en avaluacions en dominis diferents al d'entrenament. Finalment, a la quarta part de la tesi proposem un model no lineal que indueix una correspondència entre embeddings inicials i embeddings especialitzats, en el context de tasques d'anàlisi sintàctica de dependències amb models neuronals. Mostrem que aquest mètode millora l'analisi de dependències, especialment en oracions amb paraules no vistes durant l'entrenament. També mostrem millores en un tasca d'anàlisi de sentiment

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

Maximum Entropy Models For Natural Language Ambiguity Resolution

This thesis demonstrates that several important kinds of natural language ambiguities can be resolved to state-of-the-art accuracies using a single statistical modeling technique based on the principle of maximum entropy. We discuss the problems of sentence boundary detection, part-of-speech tagging, prepositional phrase attachment, natural language parsing, and text categorization under the maximum entropy framework. In practice, we have found that maximum entropy models offer the following advantages: State-of-the-art Accuracy: The probability models for all of the tasks discussed perform at or near state-of-the-art accuracies, or outperform competing learning algorithms when trained and tested under similar conditions. Methods which outperform those presented here require much more supervision in the form of additional human involvement or additional supporting resources. Knowledge-Poor Features: The facts used to model the data, or features, are linguistically very simple, or knowledge-poor but yet succeed in approximating complex linguistic relationships. Reusable Software Technology: The mathematics of the maximum entropy framework are essentially independent of any particular task, and a single software implementation can be used for all of the probability models in this thesis. The experiments in this thesis suggest that experimenters can obtain state-of-the-art accuracies on a wide range of natural language tasks, with little task-specific effort, by using maximum entropy probability models