diff --git a/wyk/06_Zanurzenia_slow.org b/wyk/06_Zanurzenia_slow.org new file mode 100644 index 0000000..676aa07 --- /dev/null +++ b/wyk/06_Zanurzenia_slow.org @@ -0,0 +1,390 @@ +* Zanurzenia słów + +** Słabości $n$-gramowych modeli języka + +Podstawowa słabość $n$-gramowych modeli języka polega na tym, że każde +słowo jest traktowane w izolacji. W, powiedzmy, bigramowym modelu +języka każda wartość $P(w_2|w_1)$ jest estymowana osobno, nawet dla — +w jakimś sensie podobnych słów. Na przykład: + +- $P(\mathit{zaszczekał}|\mathit{pies})$, $P(\mathit{zaszczekał}|\mathit{jamnik})$, $P(\mathit{zaszczekał}|\mathit{wilczur})$ są estymowane osobno, +- $P(\mathit{zaszczekał}|\mathit{pies})$, $P(\mathit{zamerdał}|\mathit{pies})$, $P(\mathit{ugryzł}|\mathit{pies})$ są estymowane osobno, +- dla każdej pary $u$, $v$, gdzie $u$ jest przyimkiem (np. /dla/), a $v$ — osobową formą czasownika (np. /napisał/) model musi się uczyć, że $P(v|u)$ powinno mieć bardzo niską wartość. + +** Podobieństwo słów jako sposób na słabości $n$-gramowych modeli języka? + +Intuicyjnie wydaje się, że potrzebujemy jakiegoś sposobu określania podobieństwa słów, tak aby +w naturalny sposób, jeśli słowa $u$ i $u'$ oraz $v$ i $v'$ są bardzo podobne, wówczas +$P(u|v) \approx P(u'|v')$. + +Można wskazać trzy sposoby określania podobieństwa słów: odległość +edycyjna Lewensztajna, hierarchie słów i odległość w przestrzeni wielowymiarowej. + +*** Odległość Lewensztajna + +Słowo /dom/ ma coś wspólnego z /domem/, /domkiem/, /domostwem/, + /domownikami/, /domowym/ i /udomowieniem/ (?? — tu już można mieć + wątpliwości). Więc może oprzeć podobieństwa na powierzchownym + podobieństwie? + +Możemy zastosować tutaj *odległość Lewensztajna*, czyli minimalną liczbę operacji edycyjnych, które +są potrzebne, aby przekształcić jedno słowo w drugie. Zazwyczaj jako elementarne operacje edycyjne +definiuje się: + +- usunięcie znaku, +- dodanie znaku, +- zamianu znaku. + +Na przykład odległość edycyjna między słowami /domkiem/ i /domostwem/ +wynosi 4: zamiana /k/ na /o/, /i/ na /s/, dodanie /t/, dodanie /w/. + +#+BEGIN_SRC python :session mysession :exports both :results raw drawer + import Levenshtein + Levenshtein.distance('domkiem', 'domostwem') +#+END_SRC + +#+RESULTS: +:results: +4 +:end: + +Niestety, to nie jest tak, że słowa są podobne wtedy i tylko wtedy, gdy /wyglądają/ podobnie: + +- /tapet/ nie ma nic wspólnego z /tapetą/, +- słowo /sowa/ nie wygląda jak /ptak/, /puszczyk/, /jastrząb/, /kura/ itd. + +Powierzchowne podobieństwo słów łączy się zazwyczaj z relacjami +*fleksyjnymi* i *słowotwórczymi* (choć też nie zawsze, por. np. pary +słów będące przykładem *supletywizmu*: /człowiek/-/ludzie/, +/brać/-/zwiąć/, /rok/-/lata/). A co z innymi własnościami wyrazów czy +raczej bytów przez nie denotowanych (słowa oznaczające zwierzęta +należące do gromady ptaków chcemy traktować jako, w jakiejś mierze przynajmnie, podobne)? + +Dodajmy jeszcze, że w miejsce odległości Lewensztajna warto czasami +używać podobieństwa Jaro-Winklera, które mniejszą wagę przywiązuje do zmian w końcówkach wyrazów: + +#+BEGIN_SRC python :session mysession :exports both :results raw drawer + import Levenshtein + Levenshtein.jaro_winkler('domu', 'domowy') + Levenshtein.jaro_winkler('domowy', 'maskowy') +#+END_SRC + +#+RESULTS: +:results: +0.6626984126984127 +:end: + +*** Klasy i hierarchie słów + +Innym sposobem określania podobieństwa między słowami jest zdefiniowanie klas słów. +Słowa należące do jednej klasy będą podobne, do różnych klas — niepodobne. + +**** Klasy gramatyczne + +Klasy mogą odpowiadać standardowym kategoriom gramatycznym znanym z +językoznawstwa, na przykład *częściom mowy* (rzeczownik, przymiotnik, +czasownik itd.). Wiele jest niejednoznacznych jeśli chodzi o kategorię części mowy: + +- /powieść/ — rzeczownik czy czasownik? +- /komputerowi/ — rzeczownik czy przymiotnik? +- /lecz/ — spójnik, czasownik (!) czy rzeczownik (!!)? + +Oznacza to, że musimy dysponować narzędziem, które pozwala +automatycznie, na podstawie kontekstu, tagować tekst częściami mowy +(ang. /POS tagger/). Takie narzędzia pozwalają na osiągnięcie wysokiej +dokładności, niestety zawsze wprowadzają jakieś błędy, które mogą +propagować się dalej. + +**** Klasy indukowane automatycznie + +Zamiast z góry zakładać klasy wyrazów można zastosować metody uczenia +nienadzorowanego (podobne do analizy skupień) w celu *wyindukowanie* +automatycznie klas (tagów) z korpusu. + +**** Użycie klas słów w modelu języka + +Najprostszy sposób uwzględnienia klas słów w $n$-gramowym modelowaniu +języka polega stworzeniu dwóch osobnych modeli: + +- tradycyjnego modelu języka $M_W$ operującego na słowach, +- modelu języka $M_T$ wyuczonego na klasach słów (czy to częściach + mowy, czy klasach wyindukowanych automatycznie). + +Zauważmy, że rząd modelu $M_T$ ($n_T$) może dużo większy niż rząd modelu $M_W$ ($n_W$) — klas będzie +dużo mniej niż wyrazów, więc problem rzadkości danych jest dużo mniejszy i można rozpatrywać dłuższe +$n$-gramy. + +Dwa modele możemy połączyć za pomocą prostej kombinacji liniowej sterowanej hiperparametrem $\lambda$: + +$$P(w_i|w_{i-n_T}+1\ldots w_{i-1}) = \lambda P_{M_T}(w_i|w_{i-n_W}+1\ldots w_{i-1}) + (1 - \lambda) P_{M_W}(w_i|w_{i-n_T}+1\ldots w_{i-1}).$$ + +**** Hierarchie słów + +Zamiast płaskiej klasyfikacji słów można zbudować hierarchię słów czy +pojęć. Taka hierarchia może dotyczyć właściwości gramatycznych +(na przykład rzeczownik w liczbie pojedynczej w dopełniaczu będzie podklasą +rzeczownika) lub własności denotowanych bytów. + +Niekiedy dość łatwo stworzyć hierarchie (taksonomię) pojęć. Na +przykład jamnik jest rodzajem psa (słowo /jamnik/ jest *hiponimem* +słowa /pies/, zaś słowo /pies/ hiperonimem słowa /jamnik/), pies — +ssaka, ssak — zwierzęcia, zwierzę — organizmu żywego, organizm — bytu +materialnego. + +***** Analityczny język Johna Wilkinsa + +Już od dawna filozofowie myśleli o stworzenie języka uniwersalnego, w +którym hierarchia bytów jest ułożona w „naturalny” sposób. + +Przykładem jest angielski uczony John Wilkins (1614-1672). W dziele +/An Essay towards a Real Character and a Philosophical Language/ +zaproponował on rozbudowaną hierarchię bytów. + +#+CAPTION: Fragment dzieła Johna Wilkinsa +[[./06_Zanurzenia_slow/wilkins.png]] + +***** Słowosieci + +Współczesnym odpowiednik hierarchii Wilkinsa są *słowosieci* (ang. /wordnets). +Przykłady: + +- dla języka polskiego: [[http://plwordnet.pwr.wroc.pl][Słowosieć]], +- dla języka angielskiego: [[https://wordnet.princeton.edu/][Princeton Wordnet]] (i Słowosieć!) + +#+CAPTION: Fragment Słowosieci +[[./06_Zanurzenia_slow/slowosiec.png]] + +W praktyce stosowalność słowosieci okazała się zaskakująco +ograniczona. Większy przełom w przetwarzaniu języka naturalnego przyniosły +wielowymiarowe reprezentacje słów, inaczej: zanurzenia słów. + +** „Wymiary” słów + +Moglibyśmy zanurzyć (ang. /embed/) w wielowymiarowej przestrzeni, tzn. zdefiniować odwzorowanie +$E \colon V \rightarrow \mathcal{R}^m$ dla pewnego $m$ i określić taki sposób estymowania +prawdopodobieństw $P(u|v)$, by dla par $E(v)$ i $E(v')$ oraz $E(u)$ i $E(u')$ znajdujących się w pobliżu +(według jakiejś metryki odległości, na przykład zwykłej odległości euklidesowej): + +$$P(u|v) \approx P(u'|v').$$ + +$E(u)$ nazywamy zanurzeniem (embeddingiem) słowa. + +*** Wymiary określone z góry? + +Można by sobie wyobrazić, że $m$ wymiarów mogłoby być z góry +określonych przez lingwistę. Wymiary te byłyby związane z typowymi +„osiami” rozpatrywanymi w językoznawstwie, na przykład: + +- czy słowo jest wulgarne, pospolite, potoczne, neutralne czy książkowe? +- czy słowo jest archaiczne, wychodzące z użycia czy jest neologizmem? +- czy słowo dotyczy kobiet, czy mężczyzn (w sensie rodzaju gramatycznego i/lub + socjolingwistycznym)? +- czy słowo jest w liczbie pojedynczej czy mnogiej? +- czy słowo jest rzeczownikiem czy czasownikiem? +- czy słowo jest rdzennym słowem czy zapożyczeniem? +- czy słowo jest nazwą czy słowem pospolitym? +- czy słowo opisuje konkretną rzecz czy pojęcie abstrakcyjne? +- … + +W praktyce okazało się jednak, że lepiej, żeby komputer uczył się sam +możliwych wymiarów — z góry określamy tylko $m$ (liczbę wymiarów). + +** Bigramowy model języka oparty na zanurzeniach + +Zbudujemy teraz najprostszy model język oparty na zanurzeniach. Będzie to właściwie najprostszy +*neuronowy model języka*, jako że zbudowany model można traktować jako prostą sieć neuronową. + +*** Słownik + +W typowym neuronowym modelu języka rozmiar słownika musi być z góry +ograniczony. Zazwyczaj jest to liczba rzędu kilkudziesięciu wyrazów — +po prostu będziemy rozpatrywać $|V|$ najczęstszych wyrazów, pozostałe zamienimy +na specjalny token ~~ reprezentujący nieznany (/unknown/) wyraz. + +Aby utworzyć taki słownik użyjemy gotowej klasy ~Vocab~ z pakietu torchtext: + +#+BEGIN_SRC python :session mysession :exports both :results raw drawer + from itertools import islice + import regex as re + import sys + from torchtext.vocab import build_vocab_from_iterator + + + def get_words_from_line(line): + line = line.rstrip() + yield '' + for m in re.finditer(r'[\p{L}0-9\*]+|\p{P}+', line): + yield m.group(0).lower() + yield '' + + + def get_word_lines_from_file(file_name): + with open(file_name, 'r') as fh: + for line in fh: + yield get_words_from_line(line) + + vocab_size = 20000 + + vocab = build_vocab_from_iterator( + get_word_lines_from_file('opensubtitlesA.pl.txt'), + max_tokens = vocab_size, + specials = ['']) + + vocab['jest'] +#+END_SRC + +#+RESULTS: +:results: +16 +:end: + +#+BEGIN_SRC python :session mysession :exports both :results raw drawer +len(vocab) +#+END_SRC + +#+RESULTS: +:results: +20000 +:end: + +*** Definicja sieci + +Naszą prostą sieć neuronową zaimplementujemy używając frameworku PyTorch. + +#+BEGIN_SRC python :session mysession :exports both :results raw drawer + from torch import nn + import torch + + embed_size = 100 + + class SimpleBigramNeuralLanguageModel(nn.Module): + def __init__(self, vocabulary_size, embedding_size): + super(SimpleBigramNeuralLanguageModel, self).__init__() + self.model = nn.Sequential( + nn.Embedding(vocabulary_size, embedding_size), + nn.Linear(embedding_size, vocabulary_size), + nn.Softmax() + ) + + def forward(self, x): + return self.model(x) + + model = SimpleBigramNeuralLanguageModel(vocab_size, embed_size) + + vocab.set_default_index(vocab['']) + ixs = torch.tensor(vocab.forward(['mieszkam', 'w', 'londynie'])) + + out = model(ixs) + out.size() +#+END_SRC + +#+RESULTS: +:results: +torch.Size([3, 20000]) +:end: + +Teraz wyuczmy model. Wpierw tylko potasujmy nasz plik: + +#+BEGIN_SRC +shuf < opensubtitlesA.pl.txt > opensubtitlesA.pl.shuf.txt +#+END_SRC + +#+BEGIN_SRC python :session mysession :exports both :results raw drawer + from torch.utils.data import IterableDataset + import itertools + + def look_ahead_iterator(gen): + prev = None + for item in gen: + if prev is not None: + yield (prev, item) + prev = item + + class Bigrams(IterableDataset): + def __init__(self, text_file, vocabulary_size): + self.vocab = build_vocab_from_iterator( + get_word_lines_from_file(text_file), + max_tokens = vocabulary_size, + specials = ['']) + self.vocab.set_default_index(self.vocab['']) + self.vocabulary_size = vocabulary_size + self.text_file = text_file + + def __iter__(self): + return look_ahead_iterator( + (self.vocab[t] for t in itertools.chain.from_iterable(get_word_lines_from_file(self.text_file)))) + + train_dataset = Bigrams('opensubtitlesA.pl.shuf.txt', vocab_size) +#+END_SRC + +#+RESULTS: +:results: +:end: + +#+BEGIN_SRC python :session mysession :exports both :results raw drawer + from torch.utils.data import DataLoader + + next(iter(train_dataset)) +#+END_SRC + +#+RESULTS: +:results: +(2, 19922) +:end: + +#+BEGIN_SRC python :session mysession :exports both :results raw drawer + from torch.utils.data import DataLoader + + next(iter(DataLoader(train_dataset, batch_size=5))) +#+END_SRC + +#+RESULTS: +:results: +[tensor([ 2, 19922, 114, 888, 1152]), tensor([19922, 114, 888, 1152, 3])] +:end: + +#+BEGIN_SRC python :session mysession :exports both :results raw drawer + device = 'cuda' + model = SimpleBigramNeuralLanguageModel(vocab_size, embed_size).to(device) + data = DataLoader(train_dataset, batch_size=8000) + optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters()) + criterion = torch.nn.NLLLoss() + + model.train() + step = 0 + for x, y in data: + x = x.to(device) + y = y.to(device) + optimizer.zero_grad() + ypredicted = model(x) + loss = criterion(torch.log(ypredicted), y) + if step % 100 == 0: + print(step, loss) + step += 1 + loss.backward() + optimizer.step() + + torch.save(model.state_dict(), 'model1.bin') +#+END_SRC + +#+RESULTS: +:results: +None +:end: + +#+BEGIN_SRC python :session mysession :exports both :results raw drawer + vocab = train_dataset.vocab + ixs = torch.tensor(vocab.forward(['jest', 'mieszkam', 'w', 'londynie'])).to(device) + + out = model(ixs) + top = torch.topk(out[0], 10) + top_indices = top.indices.tolist() + top_probs = top.values.tolist() + top_words = vocab.lookup_tokens(top_indices) + list(zip(top_words, top_indices, top_probs)) +#+END_SRC + +#+RESULTS: +:results: +[('jorku', 1079, 0.41101229190826416), ('.', 3, 0.07469522953033447), ('', 0, 0.04370327666401863), (',', 4, 0.023186953738331795), ('...', 15, 0.0091575738042593), ('?', 6, 0.008711819536983967), ('tym', 30, 0.0047738500870764256), ('to', 7, 0.004259662237018347), ('do', 17, 0.004140778910368681), ('w', 10, 0.003930391278117895)] +:end: