Constituency Parsing with a Self-Attensive Encoder 论文解读

喜欢ヅ旅行 2022-12-21 10:58 107阅读 0赞

之前没咋涉略过 parsing 部分，最近有用到，遇到一个实现的很不错的库：[benepar][]，无论是速度、代码还是性能上，伯克利出品。而本文要讲的论文就是 benepar 的参考论文，代码和论文作者都是一个人：Nikita Kitaev，论文发表于 ACL 2018。代码还参考了作者的另一篇论文：Multilingual Constituency Parsing with Self-Attention and Pre-Training。

> 看时间，有空了再解读下 benepar 的源代码。写好了我会把链接放在这。

## 模型总体架构 ##

模型是 encoder-decoder 架构，总体就是两部分：第一部分是给句子中的每一个位置  t t t 生成一个含有上下文信息的向量表示  y t y\_t yt，即 encoder，这部分借鉴了 Vaswani et al. (2017)1；第二部分是根据  y t y\_t yt 生成 span 得分  s ( i , j , l ) s(i, j, l) s(i,j,l)，即 decoder，这部分主要借鉴了 Stern et al. (2017a)2，参考 Gaddy et al. (2018)3 进行了部分修改。模型总体架构图如下图所示：  
![模型架构图][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTAwOTkwODA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

## Base model ##

每个实验都会有一个 baseline。作者进行了很多实验，每个实验基本上就是 encoder 部分不同，这也是这个论文的重点，decoder 部分不重要，是一个 chart parser，为每一棵树都计算一个得分，并用一个类似 CKY 的算法找到最佳树。公式如下：

s ( i , j , ⋅ ) = M 2 relu ( LayerNorm ( M 1 v + c 1 ) ) + c 2 s(i, j, \\cdot)=M\_\{2\} \\text \{relu\}\\left(\\text\{LayerNorm\} \\left(M\_\{1\} v+c\_\{1\}\\right)\\right)+c\_\{2\} s(i,j,⋅)=M2relu(LayerNorm(M1v\+c1))\+c2

其中：

v = \[ y → j − y → i ; y ← j + 1 − y ← i + 1 \] v=\\left\[\\overrightarrow\{y\}\_\{j\}-\\overrightarrow\{y\}\_\{i\} ; \\overleftarrow\{y\}\_\{j+1\}-\\overleftarrow\{y\}\_\{i+1\}\\right\] v=\[yj−yi;yj\+1−yi\+1\]

y → k \\overrightarrow\{y\}\_\{k\} yk 和  y ← k \\overleftarrow\{y\}\_\{k\} yk在 Stern et al. (2017a)2 中分别用的是 BiLSTM 中的正向和反向输出，而本篇论文中是直接将  y k y\_k yk 分成两半。更多信息可参考 Gaddy et al. (2018)3。

### Encoder ###

encoder 的输入是 word embedding（ \[ w 1 , ⋯   , w T \] \[w\_1,\\cdots,w\_T\] \[w1,⋯,wT\]）、postag embedding（ \[ m 1 , ⋯   , m T \] \[m\_1,\\cdots,m\_T\] \[m1,⋯,mT\]），也存储了一个 learned position embedding（ \[ p 1 , ⋯   , p T \] \[p\_1,\\cdots,p\_T\] \[p1,⋯,pT\]）。这三个矩阵维度相同，最后会把他们加起来： z t = w t + m t + p t z\_t = w\_t + m\_t + p\_t zt=wt\+mt\+pt。

然后这个  z t z\_t zt 就会输入一个 stacked 8 层相同的网络，和 bert 那套一样，multi-headed attention、layernorm 等。最后的输出就是  y t y\_t yt。  
![encoder架构图][encoder]  
![attention head][]  
这个模型最终在 PTB WSJ dev 数据集上的 F1 是 **92.67**，记住这个数字，以后的模型效果都将会跟这个数字比。

如果将 encoder 换成 LSTM-based，那么 F1 是 92.24，比前者稍低。这也说明了要想取得好结果， RNN-based encoder 并不是必须的，而且 self-attention 还能达到更好的效果。

## Factored model ##

### 内容特征和位置特征谁更重要？ ###

在 base model 种，信息在 encoder 中传输主要依靠的是 self-attention，可以同时使用内容特征( w t + p t w\_t+p\_t wt\+pt，即 word embedding + postag embedding)和位置信息去获得词之间的相互影响。按道理说，网络可以学习到如何平衡不同的特征信息，但是实践证明不能。所以我们会将会显式地分解模型，**拆分内容和位置特征**，来提高模型的准确率。

在此之前，为了测量两种特征的重要性，作者做了个测试：**禁用内容特征**。

HOW？

在每一个 head 计算  Q Q Q 和  K K K 的时候，仅乘上位置信息  P P P，之前乘的是  X X X，即内容 + 位置。而计算  V V V 的时候仍然使用  X X X。

结果 F1 就降了 0.27，比 LSTM-based 模型还要好。准确率降低在作者的意料之中，但是降了这么少是在意料之外的，作者表示内容特征在模型里占的比重这么小很 strange：

> It seems strange that content-based attention benefits our model to such a small degree.

### 从输入上拆分 ###

下一步，作者猜想两种信息混合（即相加）有可能会让其中一种信息占据主导地位，压制对方，从而影响网络在两者中间找到平衡的最优点。所以作者提出了一个模型的分解版本：显式地拆分内容和位置特征。

HOW？

原来的输入  z t = w t + m t + p t z\_t = w\_t + m\_t + p\_t zt=wt\+mt\+pt，现在编程  z t = \[ w t + m t ; p t \] z\_t = \[w\_t+m\_t ; p\_t\] zt=\[wt\+mt;pt\]，即改成拼接的方式。但是为了保持住输入  z t z\_t zt 的 size，所以  w t + m t w\_t + m\_t wt\+mt 和  p t p\_t pt 的 size 都会减半。然而实践证明，简单地这样拆分，结果并不好，dev 上的 F1 仅有 92.60，而之前是 92.67。

问题在哪？

首先信息混合的问题根源肯定不在 addition，即  z t = w t + m t + p t z\_t = w\_t + m\_t + p\_t zt=wt\+mt\+pt。事实上，adding 和 concatenation 在高维度上的表现是差不多的，尤其是当结果会立马乘上一个矩阵之后。关于这一点，我们可以检查这个结果在网络中是怎么被使用的，尤其是注意力中的 query-key 的点乘部分。对于点乘  q ⋅ k q \\cdot k q⋅k，假如我们把 q 分解成内容和位置特征： q = q ( c ) + q ( p ) q=q^\{(c)\}+q^\{(p)\} q=q(c)\+q(p)，对  k k k 同样。然后  q ⋅ k = ( q ( c ) + q ( p ) ) ⋅ ( k ( c ) + k ( p ) ) q \\cdot k=\\left(q^\{(c)\}+q^\{(p)\}\\right) \\cdot\\left(k^\{(c)\}+k^\{(p)\}\\right) q⋅k=(q(c)\+q(p))⋅(k(c)\+k(p))。

然后这里会产生交叉项，比如  q ( c ) ⋅ k ( p ) q^\{(c)\} \\cdot k^\{(p)\} q(c)⋅k(p)，这个可能存在隐患，例如这可能会导致得到这样一个网络：单词 *the* 总是会特别注意句子的第 5 个位置。这种交叉注意力似乎并没有太大作用，反而会带来过拟合。

### 从注意力层面拆分 ###

作者为了完善这种分解式模型，又使用了一种新的分解方式。对于一个向量  x = \[ x ( c ) ; x ( p ) \] x=\\left\[x^\{(c)\} ; x^\{(p)\}\\right\] x=\[x(c);x(p)\]，原来是直接乘上权重矩阵  W W W，即  c = W x c = Wx c=Wx。

但现在让  W W W 也跟着拆分，就变成  c = \[ c ( c ) ; c ( p ) \] = \[ W ( c ) x ( c ) ; W ( p ) x ( p ) \] c=\\left\[c^\{(c)\} ; c^\{(p)\}\\right\]=\\left\[W^\{(c)\} x^\{(c)\} ; W^\{(p)\} x^\{(p)\}\\right\] c=\[c(c);c(p)\]=\[W(c)x(c);W(p)x(p)\]。模型的很多中间变量都需要跟着改变，包括所有的 query 和 key。然后 query-key 点乘就变成  q ⋅ k = q ( c ) ⋅ k ( c ) + q ( p ) ⋅ k ( p ) q \\cdot k=q^\{(c)\} \\cdot k^\{(c)\}+q^\{(p)\} \\cdot k^\{(p)\} q⋅k=q(c)⋅k(c)\+q(p)⋅k(p)。对于一个 attention head 来说，拆分后的情况如图所示，可以看成分别对  x ( c ) x^\{(c)\} x(c) 和  x ( p ) x^\{(p)\} x(p) 应用注意力，后续的 feed-forward 层也同样拆分。  
![拆分后的 attention head][attention head 1]  
此外，作者认为也可以将这种拆分看成是在参数矩阵上强制加上块稀疏化（*block-sparsity*）约束：

W = \[ W ( c ) 0 0 W ( p ) \] W=\\left\[\\begin\{array\}\{cc\} W^\{(c)\} & 0 \\\\ 0 & W^\{(p)\} \\end\{array\}\\right\] W=\[W(c)00W(p)\]

就像之前一样，也保持相同的向量大小，也就意味着减少了参数量。简单来说，作者将每个向量都一半一半拆成内容和位置向量，那么就相当于模型参数量减少了一半（？？？）。最终这个模型在 dev 上达到了 93.15 的 F1，得到了约 0.5 的提升。

这个结果表明拆分不同类型的特征确实能得到一个不错的结果，但是作者还有一个疑惑：也许通过将所有矩阵都进行块稀疏化，我们偶然发现了更好的超参数配置？例如这个结果提升可能只是和模型参数量有关？

为了验证这个猜想，作者又进行了一次实验。控制变量法，这次的模型始终强制进行块稀疏化，但是输入仍然使用原来的 3 个矩阵相加的结果，也就是不拆分内容和位置特征。最后的 F1 是 92.63，和 base 模型差不多（92.67）。这也就证明了 factoring 是很重要的。

正是应了 [The Zen of Python][] 那句话：

> Explicit is better than implicit.

### 两种注意力在不同模型不同层的重要性 ###

随后作者又进一步分析了模型，主要是两部分：对内容和位置注意力的进一步分析和 windowed attention。

为了分析模型对内容和位置注意力的利用情况，作者又做了个实验，模型训练保持不变，但是在测试阶段，把内容注意力或位置注意力人为置零，即禁用。分别在不同的层禁用内容或者位置注意力，最后发现位置注意力相当重要，但是内容注意力也有一定帮助，尤其是在最后几层。结果如下表所示：  
![表1][1]  
同时也可以看到模型确实利用了两种特征，而且位置特征占据主导位置。内容特征在后面几层更有用，同时也验证了作者之前的猜想：模型的前几层就像一个 CNN，更高的层能够更好的平衡两种特征。

是不是同时也表明位置特征是一种浅层特征，而内容特征是一种高层次特征？这也符合我们的直觉。

### 尝试 Attention 变体：Windowed Attention ###

关于 windowed attention，首先说下这是什么意思。对于 A 和 B 两句话，原本的注意力机制是两句话中的词互相都有注意力连接，A 中的词注意 B 中所有的词，B 中的词注意 A 中的所有词，就是一个 dense 连接。但是现在 windowed attention 就变成， B 中的词只能注意 A 中的一部分词，而具体多少词，就是 distance。A 对 B 也同理。这种方式叫 *strict windowed attention*。

有 strict，自然就有不那么 strict 的，即 *relaxed windowed attention*。这个版本的 windowed attention 主要是由于作者偶然发现有几个 attention head 的某几层总是会 attend to start token，总是会对标记句子开始的特殊标记（不是句子的第一个词）格外的注意。

既然如此，那就来个 relaxed 版的 windowed attention，即一个句子的 start token、第一个词、最后一个词和 end token，不受 window 限制，可以正常与其他词进行注意力连接，相当于加了个特例，条件“宽松”了一些。实验结果如下表所示，结果表明 relaxed 版的模型 F1 更高。作者后来又将 strict 和 relaxed windowed attention 融入到训练过程中，再次实验。  
![表2][2]  
进行了这么多实验，最终的结论就是长距离依赖对于取得最佳准确率是必不可少的。

## Factored model without/with extra data ##

回想刚才讲的模型，输入是三个 embedding 相加：word、postag 和 position。其中 postag 是需要事先使用 Stanford tagger 算好的，也就是利用了额外数据。而 word embedding 此时我们并没有使用 pretrained embedding。那么这就诞生了接下来的两个实验：替换 postag，即尽量不使用这种外部数据；使用 pretrained word embedding。

### 替换 postag embedding ###

先说第一个。作者首先尝试直接将 postag 去掉，结果发现 F1 直接掉了一个点。然后分别尝试使用 CharLSTM 和 CharConcat 来替代 postag，并且与是否使用 word embedding 进行组合，共四次小实验。结果发现用 CharLSTM、带 word embedding 的效果最好，甚至比原来的使用 postag 的效果还好，CharConcat 效果好于原版，但劣于 CharLSTM。

那么什么是 CharLSTM？

不难，就是使用一个双向 LSTM 来 embed 一个单词，只不过输入是 char 级别的。然后使用 LSTM 的输出来替换 postag。作者还发现，只使用这个，丢掉原来的 word embedding 的效果比用 word embedding 的效果还要好。我觉得这应该很明显吧，CharLSTM 本质上还是一个词的 embedding，再加上一遍 word embedding 只会造成冗余。

那什么是 CharConcat 呢？

你可能是第一次听说，我也是。不过也不难，作者说这是他们从 Hall et al. (2014)4 得来的灵感，Hall 他们是用出现频率较高的后缀来替代词。那么这里类似，就是取一个单词的前后 8 个共计 16 个字母来表示该单词，每个字母的 embedding 是 32 维的，16 个 concat 到一起就变成了 512 维。如果单词太短， 那么就 padding。这种极致简单的模式带来了意想不到的效果，虽然比 CharLSTM 差，但是比原版要好。

又应了 [The Zen of Python][] 的那句话了：

> Simple is better than complex.

### Pretrained word embedding ###

现在说第二个，pretrained word embedding 的问题。其实也没啥可说的，作者直接使用了 ELMo，但是 ELMo 的词向量是 1024 维的，而本文模型是 512 维的，对不上怎么办？

Project，学习一个权重矩阵将这个 1024 维的 ELMo 映射到 512 维。作者还认为已经有这么强大的预训练词向量了，encoder 就不需要 8 层了。事实证明没错，最后只要 4 层，在 dev 上就已经达到了 95.21 的 F1。

## 结果 ##

在 PTB 测试集上最佳 F1 为 95.13，模型为 factored self-attentive + ELMo，即刚才说的最后一个版本的模型。详细的测试结果如下图所示：  
![表6][6]

作者对自己的模型在其他语言上的表现也很有信心，在包含 9 种语言的数据集 SPMRL 上做了测试，其中 8 种语言达到了 SOTA。详细的测试结果如下图所示：

![表7][7]

## END ##

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1.  [Vaswani, Ashish, et al. “Attention is all you need.” Advances in neural information processing systems. 2017.][Vaswani_ Ashish_ et al. _Attention is all you need._ Advances in neural information processing systems. 2017.] ↩︎
2.  [Stern, Mitchell, Jacob Andreas, and Dan Klein. “A minimal span-based neural constituency parser.” arXiv preprint arXiv:1705.03919 (2017).][Stern_ Mitchell_ Jacob Andreas_ and Dan Klein. _A minimal span-based neural constituency parser._ arXiv preprint arXiv_1705.03919 _2017_.] ↩︎ ↩︎
3.  [Gaddy, David, Mitchell Stern, and Dan Klein. “What’s going on in neural constituency parsers? an analysis.” arXiv preprint arXiv:1804.07853 (2018).][Gaddy_ David_ Mitchell Stern_ and Dan Klein. _What_s going on in neural constituency parsers_ an analysis._ arXiv preprint arXiv_1804.07853 _2018_.] ↩︎ ↩︎
4.  [Hall, David, Greg Durrett, and Dan Klein. “Less grammar, more features.” Proceedings of the 52nd Annual Meeting of the Association for Computational Linguistics (Volume 1: Long Papers). 2014.][Hall_ David_ Greg Durrett_ and Dan Klein. _Less grammar_ more features._ Proceedings of the 52nd Annual Meeting of the Association for Computational Linguistics _Volume 1_ Long Papers_. 2014.] ↩︎

[benepar]: https://github.com/nikitakit/self-attentive-parser
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTAwOTkwODA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221120/8c9c46648b654b7bba1f575b028060e0.png
[encoder]: /images/20221120/5f6fba42070a4bc787ae5aba9b6ce3e8.png
[attention head]: /images/20221120/855f80265bb54134ae0fe4d3908aa834.png
[attention head 1]: /images/20221120/7d0317726c7548c98e85b63865475799.png
[The Zen of Python]: https://www.python.org/dev/peps/pep-0020/
[1]: /images/20221120/b1d0dd9ab13f414ba748b4476e601c15.png
[2]: /images/20221120/1546a6e8362e4832b0697f7337c95745.png
[6]: /images/20221120/f7b0e64d0df445d4b05c1ad2250f382c.png
[7]: /images/20221120/77b511377ebf42ec8033af6afc79377c.png
[Vaswani_ Ashish_ et al. _Attention is all you need._ Advances in neural information processing systems. 2017.]: https://proceedings.neurips.cc/paper/2017/file/3f5ee243547dee91fbd053c1c4a845aa-Paper.pdf
[Stern_ Mitchell_ Jacob Andreas_ and Dan Klein. _A minimal span-based neural constituency parser._ arXiv preprint arXiv_1705.03919 _2017_.]: https://www.aclweb.org/anthology/P17-1076/
[Gaddy_ David_ Mitchell Stern_ and Dan Klein. _What_s going on in neural constituency parsers_ an analysis._ arXiv preprint arXiv_1804.07853 _2018_.]: https://arxiv.org/abs/1804.07853
[Hall_ David_ Greg Durrett_ and Dan Klein. _Less grammar_ more features._ Proceedings of the 52nd Annual Meeting of the Association for Computational Linguistics _Volume 1_ Long Papers_. 2014.]: https://www.aclweb.org/anthology/P14-1022.pdf