Apprentissage par transfert neuronal pour l'adaptation aux domaines en traitement automatique de la langue

Neural Transfer Learning for Domain Adaptation in Natural Language Processing

• Auteur / Autrice : Sara Meftah
• Direction : Nasredine Semmar, Fatiha Sadat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 10/03/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'intégration des systèmes et des technologies (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2001-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Anne Vilnat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Gaussier, Philippe Langlais, Alexandre Allauzen, Zied Bouraoui
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Gaussier, Philippe Langlais

Mots clés

Mots clés contrôlés

Parties du discours (linguistique)

Réseaux neuronaux (informatique)

Transfert d'apprentissage

Traitement automatique du langage naturel

Mots clés libres

Apprentissage par transfert

Langues et domaines peu dotées

Adaptation aux domaines

Réseaux de neurones

Etiquetage de séquences

Transfer learning

Low-resource languages ans domains

Domain adaptation

Neural Networks

Sequence labelling

Résumé

Les méthodes d’apprentissage automatique qui reposent sur les Réseaux de Neurones (RNs) ont démontré des performances de prédiction qui s'approchent de plus en plus de la performance humaine dans plusieurs applications du Traitement Automatique de la Langue (TAL) qui bénéficient de la capacité des différentes architectures des RNs à généraliser à partir des régularités apprises à partir d'exemples d'apprentissage. Toutefois, ces modèles sont limités par leur dépendance aux données annotées. En effet, pour être performants, ces modèles neuronaux ont besoin de corpus annotés de taille importante. Par conséquent, uniquement les langues bien dotées peuvent bénéficier directement de l'avancée apportée par les RNs, comme par exemple les formes formelles des langues. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons des méthodes d'apprentissage par transfert neuronal pour la construction d'outils de TAL pour les langues peu dotées en exploitant leurs similarités avec des langues bien dotées. Précisément, nous expérimentons nos approches pour le transfert à partir du domaine source des textes formels vers le domaine cible des textes informels (langue utilisée dans les réseaux sociaux). Tout au long de cette thèse nous proposons différentes contributions. Tout d'abord, nous proposons deux approches pour le transfert des connaissances encodées dans les représentations neuronales d'un modèle source, pré-entraîné sur les données annotées du domaine source, vers un modèle cible, adapté par la suite sur quelques exemples annotés du domaine cible. La première méthode transfère des représentations contextuelles pré-entraînées sur le domaine source. Tandis que la deuxième méthode utilise des poids pré-entraînés pour initialiser les paramètres du modèle cible. Ensuite, nous effectuons une série d'analyses pour repérer les limites des méthodes proposées ci-dessus. Nous constatons que, même si l'approche d'apprentissage par transfert proposée améliore les résultats du domaine cible, un transfert négatif « dissimulé » peut atténuer le gain final apporté par l'apprentissage par transfert. De plus, une analyse interprétative du modèle pré-entraîné, montre que les neurones pré-entraînés peuvent être biaisés par ce qu'ils ont appris du domaine source, et donc peuvent avoir des difficultés à apprendre des « patterns » spécifiques au domaine cible. Issu de notre analyse, nous proposons un nouveau schéma d'adaptation qui augmente le modèle cible avec des neurones normalisés, pondérés et initialisés aléatoirement qui permettent une meilleure adaptation au domaine cible tout en conservant les connaissances apprises du domaine source. Enfin, nous proposons une approche d’apprentissage par transfert qui permet de profiter des similarités entre différentes tâches, en plus des connaissances pré-apprises du domaine source.

Recent approaches based on end-to-end deep neural networks have revolutionised Natural Language Processing (NLP), achieving remarkable results in several tasks and languages. Nevertheless, these approaches are limited with their "gluttony" in terms of annotated data, since they rely on a supervised training paradigm, i.e. training from scratch on large amounts of annotated data. Therefore, there is a wide gap between NLP technologies capabilities for high-resource languages compared to the long tail of low-resourced languages. Moreover, NLP researchers have focused much of their effort on training NLP models on the news domain, due to the availability of training data. However, many research works have highlighted that models trained on news fail to work efficiently on out-of-domain data, due to their lack of robustness against domain shifts. This thesis presents a study of transfer learning approaches, through which we propose different methods to take benefit from the pre-learned knowledge on the high-resourced domain to enhance the performance of neural NLP models in low-resourced settings. Precisely, we apply our approaches to transfer from the news domain to the social media domain. Indeed, despite the importance of its valuable content for a variety of applications (e.g. public security, health monitoring, or trends highlight), this domain is still poor in terms of annotated data. We present different contributions. First, we propose two methods to transfer the knowledge encoded in the neural representations of a source model pretrained on large labelled datasets from the source domain to the target model, further adapted by a fine-tuning on few annotated examples from the target domain. The first transfers contextualised supervisedly pretrained representations, while the second method transfers pretrained weights, used to initialise the target model's parameters. Second, we perform a series of analysis to spot the limits of the above-mentioned proposed methods. We find that even if the proposed transfer learning approach enhances the performance on social media domain, a hidden negative transfer may mitigate the final gain brought by transfer learning. In addition, an interpretive analysis of the pretrained model, show that pretrained neurons may be biased by what they have learned from the source domain, thus struggle with learning uncommon target-specific patterns. Third, stemming from our analysis, we propose a new adaptation scheme which augments the target model with normalised, weighted and randomly initialised neurons that beget a better adaptation while maintaining the valuable source knowledge. Finally, we propose a model, that in addition to the pre-learned knowledge from the high-resource source-domain, takes advantage of various supervised NLP tasks.