Syntactic inductive biases for deep learning methods

Abstract

Le débat entre connexionnisme et symbolisme est l'une des forces majeures qui animent le développement de l'Intelligence Artificielle. L'apprentissage profond et la linguistique théorique sont les domaines d'études les plus représentatifs pour les deux écoles respectivement. Alors que la méthode d'apprentissage profond a fait des percées impressionnantes et est devenue la principale raison de la récente prospérité de l'IA pour l'industrie et les universités, la linguistique et le symbolisme occupent quelque domaines importantes, notamment l'interprétabilité et la fiabilité.

Dans cette thèse, nous essayons de construire une connexion entre les deux écoles en introduisant des biais inductifs linguistiques pour les modèles d'apprentissage profond. Nous proposons deux familles de biais inductifs, une pour la structure de circonscription et une autre pour la structure de dépendance. Le biais inductif de circonscription encourage les modèles d'apprentissage profond à utiliser différentes unités (ou neurones) pour traiter séparément les informations à long terme et à court terme. Cette séparation fournit un moyen pour les modèles d'apprentissage profond de construire les représentations hiérarchiques latentes à partir d'entrées séquentielles, dont une représentation de niveau supérieur est composée et peut être décomposée en une série de représentations de niveau inférieur. Par exemple, sans connaître la structure de vérité fondamentale, notre modèle proposé apprend à traiter l'expression logique en composant des représentations de variables et d'opérateurs en représentations d'expressions selon sa structure syntaxique. D'autre part, le biais inductif de dépendance encourage les modèles à trouver les relations latentes entre les mots dans la séquence d'entrée. Pour le langage naturel, les relations latentes sont généralement modélisées sous la forme d'un graphe de dépendance orienté, où un mot a exactement un nœud parent et zéro ou plusieurs nœuds enfants. Après avoir appliqué cette contrainte à un modèle de type transformateur, nous constatons que le modèle est capable d'induire des graphes orientés proches des annotations d'experts humains, et qu'il surpasse également le modèle de transformateur standard sur différentes tâches. Nous pensons que ces résultats expérimentaux démontrent une alternative intéressante pour le développement futur de modèles d'apprentissage profond.

The debate between connectionism and symbolism is one of the major forces that drive the development of Artificial Intelligence. Deep Learning and theoretical linguistics are the most representative fields of study for the two schools respectively. While the deep learning method has made impressive breakthroughs and became the major reason behind the recent AI prosperity for industry and academia, linguistics and symbolism still holding some important grounds including reasoning, interpretability and reliability.

In this thesis, we try to build a connection between the two schools by introducing syntactic inductive biases for deep learning models. We propose two families of inductive biases, one for constituency structure and another one for dependency structure. The constituency inductive bias encourages deep learning models to use different units (or neurons) to separately process long-term and short-term information. This separation provides a way for deep learning models to build the latent hierarchical representations from sequential inputs, that a higher-level representation is composed of and can be decomposed into a series of lower-level representations. For example, without knowing the ground-truth structure, our proposed model learns to process logical expression through composing representations of variables and operators into representations of expressions according to its syntactic structure. On the other hand, the dependency inductive bias encourages models to find the latent relations between entities in the input sequence. For natural language, the latent relations are usually modeled as a directed dependency graph, where a word has exactly one parent node and zero or several children nodes. After applying this constraint to a transformer-like model, we find the model is capable of inducing directed graphs that are close to human expert annotations, and it also outperforms the standard transformer model on different tasks. We believe that these experimental results demonstrate an interesting alternative for the future development of deep learning models.