1/27 ein framework zur automatischen klassifikation von begriffstypen christof rumpf...

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Ein Framework zur automatischen Ein Framework zur automatischen Klassifikation von BegriffstypenKlassifikation von Begriffstypen

Christof Rumpf

Heinrich-Heine-Universität

FFF-Seminar, 13.12.2006

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ÜberblickÜberblick

• Gegenstand des Projekts A5 (1)

• Vorstellung des Frameworks (21)

• Erste experimentelle Befunde (4)

• Ausblick: was noch zu tun ist (1)

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Gegenstand des Projekts A5Gegenstand des Projekts A5

• Problem– Automatische Klassifikation von Nomen nach Begriffstyp

aufgrund morphosyntaktischer Kontextmerkmale.

• Methode – Erlernen eines statistischen Modells für die Klassifikation mit

annotierten Texten, in denen Begriffstyp und Kontextmerkmale vermerkt (annotiert) sind.

• Folgeproblem (vieleicht auch eigentliches Problem)– Wie bekommen wir Texte, in denen Begrifftsypen nach

Verwendungstyp (intellektuell) annotiert sind?

4/27

Architektur des FrameworksArchitektur des Frameworks

( , )

1

1( | )

( )j

kf a b

jj

p a bZ b

Morphosyntaktische Analyse

Trainingskorpus

Trainingssample

Maximum-Entropie-Modell

msyn: Dependenz-grammatik-Parser

Extraktion relevanter Kontextmerkmale

Morphosyntaktische Analyse

Testkorpus

Testsample

manuelle Annotierung von Begriffstypen

Lernen

Anw

enden

Generalized Iterative Scaling

Annotierter Testkorpus

Klassifikatorlernen / anwenden

5/27

TrainingskorpusTrainingskorpus

( , )

1

1( | )

( )j

kf a b

jj

p a bZ b

Morphosyntaktische Analyse

Trainingskorpus

Trainingssample

Maximum-Entropie-Modell

msyn: Dependenz-grammatik-Parser

Extraktion relevanter Kontextmerkmale

Morphosyntaktische Analyse

Testkorpus

Testsample

manuelle Annotierung von Begriffstypen

Lernen

Anw

enden

Generalized Iterative Scaling

Annotierter Testkorpus

Klassifikatorlernen / anwenden

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TrainingskorpusTrainingskorpus

• Handannotierte Version von Löbner (2003) Semantik• Zur Zeit sind lediglich die lexikalisch zugrundeliegenden

Klassen annotiert, nicht der Verwendungstyp (kommt noch…)

Die <f1>Semantik</f1> ist das <r2>Teilgebiet</r2> der <f2>Linguistik</f2>, das sich mit <r2>Bedeutung</r2> befasst. Diese <r2>Art</r2> von <f2>Definition</f2> mag vielleicht ihrem <r2>Freund</r2> genügen, der Sie zufällig mit diesem <so>Buch </so> in der <r2>Hand</r2> sieht und Sie fragt, was denn nun schon wieder sei, aber als <f2>Autor</f2> einer solchen <r2>Einführung</r2> muss ich natürlich präziser erklären, was der <f2>Gegenstand</f2> dieser <so>Wissenschaft</so> ist.

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Trainingskororpa: ErfordernisseTrainingskororpa: Erfordernisse

• Wir brauchen mehrere intellektuelle Annotatoren.

• Wir brauchen Stylebooks zur Anleitung intellektueller Annotatoren.

• Es müssen Evaluationskriterien zur Ermittlung von Übereinstimmungen bzw. Abweichungen intellektueller Annotatoren ermittelt werden.

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Morphosyntaktische AnalyseMorphosyntaktische Analyse

( , )

1

1( | )

( )j

kf a b

jj

p a bZ b

Morphosyntaktische Analyse

Trainingskorpus

Trainingssample

Maximum-Entropie-Modell

msyn: Dependenz-grammatik-Parser

Extraktion relevanter Kontextmerkmale

Morphosyntaktische Analyse

Testkorpus

Testsample

manuelle Annotierung von Begriffstypen

Lernen

Anw

enden

Generalized Iterative Scaling

Annotierter Testkorpus

Klassifikatorlernen / anwenden

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Morphosyntaktische AnalyseMorphosyntaktische Analyse<?xml version="1.0" encoding="iso-8859-1"?><!DOCTYPE analysis SYSTEM "http://www.connexor.com/dtds/4.0/fdg3.dtd"><analysis><sentence id="w1">

<token id="w2"> <text>Die</text> <lemma>die</lemma> <depend head="w3">det</depend> <tags><syntax>@PREMOD</syntax><morpho>DET Def FEM SG NOM</morpho></tags></token>

<token id="w3"> <text>Semantik</text> <lemma>semantik</lemma> <depend head="w4">subj</depend><tags><syntax>@NH</syntax> <morpho>N FEM SG NOM</morpho></tags></token>

<token id="w4"> <text>ist</text> <lemma>sein</lemma> <depend head="w1">main</depend><tags><syntax>@MAIN</syntax> <morpho>V IND PRES SG P3</morpho></tags></token>

<token id="w5"> <text>das</text> <lemma>das</lemma> <depend head="w6">det</depend>‘<tags><syntax>@PREMOD</syntax> <morpho>DET Def NEU SG NOM</morpho></tags></token>

<token id="w6"> <text>Teilgebiet</text> <lemma>teil#gebiet</lemma> <depend head="w4">comp</depend><tags><syntax>@NH</syntax> <morpho>N NEU SG NOM</morpho></tags></token>

<token id="w7"> <text>der</text> <lemma>die</lemma> <depend head="w8">det</depend><tags><syntax>@PREMOD</syntax> <morpho>DET Def FEM SG

GEN</morpho></tags></token>

<token id="w8"> <text>Linguistik</text> <lemma>linguistik</lemma> <depend head="w6">mod</depend><tags><syntax>@NH</syntax> <morpho>N FEM SG GEN</morpho></tags></token>

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Dependenz-BaumDependenz-Baum

main - ist

subj - Semantik

det - DieDef

comp - Teilgebiet

det - dasDef

det - derDef

mod - LinguistikGen

Possessor

Die Semantik ist das Teilgebiet der Linguistik, …

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TrainingssampleTrainingssample

( , )

1

1( | )

( )j

kf a b

jj

p a bZ b

Morphosyntaktische Analyse

Trainingskorpus

Trainingssample

Maximum-Entropie-Modell

msyn: Dependenz-grammatik-Parser

Extraktion relevanter Kontextmerkmale

Morphosyntaktische Analyse

Testkorpus

Testsample

manuelle Annotierung von Begriffstypen

Lernen

Anw

enden

Generalized Iterative Scaling

Annotierter Testkorpus

Klassifikatorlernen / anwenden

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TrainingssampleTrainingssampleExtraktion relevanter Kontextmerkmale über reguläre Ausdrücke mit Perl-

Skripten. Ergebnis:

t(f1, [tnr=2, tok=semantik, suff=ik, num=sg, art=def]).

t(r2, [tnr=5, tok=teil#gebiet, num=sg, art=def, poss=rgen]).

t(f1, [tnr=7, tok=linguistik, suff=ik, num=sg, art=def]).

t(f2, [tnr=12, tok=bedeutung, suff=ung, num=sg, art=none]).

t(r2, [tnr=16, tok=art, num=sg, art=indef, poss=von]).

t(f2, [tnr=18, tok=definition, num=sg, art=none]).

t(r2, [tnr=22, tok=freund, num=sg, art=def]).

t(so, [tnr=30, tok=buch, num=sg, art=indef]).

t(r2, [tnr=33, tok=hand, num=sg, art=def]).

t(f2, [tnr=49, tok=autor, num=sg, art=none]).

t(r2, [tnr=52, tok=einführung, suff=ung, num=sg, art=indef]).

t(f2, [tnr=61, tok=gegenstand, num=sg, art=def]).

t(so, [tnr=63, tok=wissenschaft, num=sg, poss=lgen, art=none]).

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Klassifikator lernenKlassifikator lernen

( , )

1

1( | )

( )j

kf a b

jj

p a bZ b

Morphosyntaktische Analyse

Trainingskorpus

Trainingssample

Maximum-Entropie-Modell

msyn: Dependenz-grammatik-Parser

Extraktion relevanter Kontextmerkmale

Morphosyntaktische Analyse

Testkorpus

Testsample

manuelle Annotierung von Begriffstypen

Lernen

Anw

enden

Generalized Iterative Scaling

Annotierter Testkorpus

Klassifikatorlernen / anwenden

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Automatische KlassifikationAutomatische Klassifikation

• Gegeben:– Trainingssample = {(a1,b1),…,(an,bn)} – Klassen ai {f1, f2, f3, r1, r2, r3}

– Kontexte bi = {m1,…,mm}

– Merkmale mi {art=def, art=indef, poss=lgen, …}

• Gesucht: – Klassifikator p(a|b)

Wie wahrscheinlich ist Klasse a gegeben Kontext b?

– Maximales Argument a’ = arg maxa p(a|b) Welche ist die wahrscheinlichste Klasse a’ gegeben Kontext b?

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Klassifikator berechnenKlassifikator berechnen

• Einfachste Möglichkeit:

• Nachteile:– Es werden nur die Kontexte in gelernt.– Unterschiedliche Evidenz einzelner Merkmale bleibt

unberücksichtigt.

• Ausweg: Berechnung des Klassifikators im Rahmen eines Maximimum Entropie Modells

)(

),()|(

bCount

baCountbap

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Maximum Entropie ModelleMaximum Entropie Modelle• Grundlegendes

– Entropie: Anzahl der benötigten Bits zur Darstellung von Ereignissen eines bestimmten Typs (Münze werfen: 1 Bit, Würfeln: 2 ½ Bit).

– Prinzip der maximalen Entropie: Stecke nur die Information ins Modell, die sicher ist, d.h. beobachtet werden kann.

• Besonderheiten

– Dekompositon der Kontexte in einzelne Merkmale oder deren (Re)-Kombination.

– Möglichkeit der Kombination von Merkmalen aus heterogenen Quellen (Syntax, Semantik, Morphologie, …).

– Berechnung der Gewichte (Evidenz) einzelner Merkmale oder deren (Re-)Kombination für jede Klasse über alle Kontexte.

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Kontextuelle und binäre MerkmaleKontextuelle und binäre Merkmale

Die Gewichte für kontextuelle Merkmale werden in ME-Modellen über binäre Merkmale bestimmt. Diese setzen die kontextuellen Merkmale mit den Klassen in Beziehung.

– Einfache binäre Merkmale Beispiel

– Komplexe binäre Merkmale Beispiel

else 0

a'a and b cf if 1 baf acf ),(',

else 0

a'a and b cfs if 1 baf acfs ),(',

35

(art=def) 1( ,

f)

1 if b and af a b

0 else

17

art=def, poss=( , )

von f2 1 if b and af a b

0 else

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Maximum Entropie FrameworkMaximum Entropie Framework

( , )

1

( , )

1

1( | )

( )

( )

j

j

kf a b

jj

kf a b

ja A j

p a bZ b

Z b

Wobei j > 0 das Gewicht für Merkmal fj ist, k die Gesamtzahl der binären Merkmaleund Z(b) eine Normalisierungskonstante, die sicherstellt, dass a p(a|b) = 1 bzw. 100%

vgl. Ratnaparkhi 1998

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Generalized Iterative ScalingGeneralized Iterative ScalingEs gibt kein analytisches Verfahren zur Bestimmung der Gewichte .

Es gibt mehrere iterative Näherungsverfahren zur Bestimmung der Gewichte , die zu einer ‚korrekten‘ Verteilung p(a|b) konvergieren und dabei das Prinzip der maximalen Entropie einhalten.

Wir verwenden Generalized Iterative Scaling (GIS):

0

1

1

1

n

j

Cp jn n

j jjp

E f

E f

ist der Erwartungswert für Merkmal fj im Trainingskorpus

ist der Erwartungswert für Merkmal fj in der letzten Iteration

Die Konstante C ist die Gesamtzahl der aktiven binären Merkmale über ‚alle‘ Kontexte

p jE f

n jpE f

Initialisierung

Iteration

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Berechnung der ErwartungswerteBerechnung der Erwartungswerte

• Erwartungswert von fj im Trainingskorpus

• Erwartungswert von fj in der letzten Iteration

1

1( ) ( | ) ( , ) ( , )

N

p j j ji

E f p b p a b f a b f a bN

,

( , )

1

( ) ( | ) ( , )

1( | ) ( )

( )

n

j

nj jp

a A b

kf a bn n

jnj

E f p b p a b f a b

p a bZ b

wobei N die Anzahl der Kontexte im Trainingskorpus ist.Dieser Erwartungswert ist konstant über alle Iterationen.

Dieser Erwartungswert muss in jeder Iteration aufwändig neu berechnet werden

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Berechnung der Konstanten Berechnung der Konstanten CC

1

( , ) for any ( , )k

jj

C f a b a b A B

Allgemein kann die Konstante C wie folgt berechnet werden:

wobei B die Potenzmenge der Kontextmerkmale ist. Diese Art der Berech-nung ist aber in den meisten Anwendungsszenarien nicht praktikabel. Insbesondere gilt: Je grösser der Wert der Konstanten C, desto zögerlicher die Konvergenz von GIS. Es gibt den Ausweg, C über die Kontexte des Trainingskopus zu berechnen:

,

1

max ,k

ja A b

j

C f a b

Dies erfordert das Hinzufügen eines Korrekturmerkmals fl, mit l = k+1:

1

, ,k

l jj

f a b C f a b

Was ist die maximale Anzahl, mit der ein binäres Merkmal in den Kontexten des Trainingskorpus aktiv sein kann?

22/27

Merkmale als BitvektorenMerkmale als Bitvektoren

Wir haben eine Implementierung des Maximum Entropie Frameworks in der Programmiersprache Prolog, bei der die kontextuellen, als auch die binären Merkmale als Bitvektoren dargestellt werden.

Jedem Kontextmerkmal entspricht eine Position im Vektor: cfi = 2i-1

Sei die Bitvektorrepräsentation von Merkmal fj und die Bitvektorrepräsentation von Kontext bi, dann gilt

Es ist damit sehr einfach und effizient festzustellen, ob ein Merkmal in einem Kontext aktiv ist, oder nicht.

2 2 2j j if f b

2jf 2

ib

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Erste experimentelle BefundeErste experimentelle Befunde

Input: Ein Trainingssample mit

645 TokensKlassen fe, f1, f2, so, r2, r323 verschiedene Kontexte mit Merkmalen

art={def, indef, none},poss={rgen, lgen, von}, suff={ik, ung, heit, keit, in, nis}

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-Gewichte-Gewichte

J A BV Alpha CF 1 f1 128 101.16960 [suff=ik] 2 f1 4 0.46762 [art=none] 3 f1 1 2.83830 [art=def] 4 f2 2048 65.10268 [suff=ung] 5 f2 256 25.41862 [suff=in] 6 f2 128 0.89798 [suff=ik] 7 f2 32 3.84712 [poss=von] 8 f2 16 1.83738 [poss=rgen] 9 f2 8 47.40072 [poss=lgen]10 f2 4 1.23617 [art=none]11 f2 2 10.24894 [art=indef]12 f2 1 20.23730 [art=def]

J A BV Alpha CF13 fe 4 1.91720 [art=none]

14 r2 2048 15.73984 [suff=ung]15 r2 512 3.68845 [suff=keit]16 r2 128 1.85193 [suff=ik]17 r2 32 11.72706 [poss=von]18 r2 16 7.84761 [poss=rgen]19 r2 4 1.40162 [art=none]20 r2 2 62.60088 [art=indef]21 r2 1 4.73671 [art=def]

22 r3 2048 7.61280 [suff=ung]

23 so 4 30.77103 [art=none]

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Klassifikatoren IKlassifikatoren I

(A|B) p~(A|B) p^100(A|B) B(f1| 1) 0.07692 0.09212 def(f2| 1) 0.73077 0.65679 def(fe| 1) 0.01923 0.03245 def(r2| 1) 0.15385 0.15373 def(r3| 1) 0.00000 0.03245 def(so| 1) 0.01923 0.03245 def(f1| 2) 0.00000 0.01301 ind(f2| 2) 0.09091 0.13336 ind(fe| 2) 0.00000 0.01301 ind(r2| 2) 0.90909 0.81459 ind(r3| 2) 0.00000 0.01301 ind(so| 2) 0.00000 0.01301 ind(f1| 4) 0.00826 0.01271 noa(f2| 4) 0.02204 0.03360 noa(fe| 4) 0.05234 0.05211 noa(r2| 4) 0.03306 0.03809 noa(r3| 4) 0.00000 0.02718 noa(so| 4) 0.88430 0.83631 noa

(A|B) p~(A|B) p^100(A|B) B(f1|66) 0.00000 0.01301 ind heit(f2|66) 0.00000 0.13336 ind heit(fe|66) 0.00000 0.01301 ind heit(r2|66) 1.00000 0.81459 ind heit(r3|66) 0.00000 0.01301 ind heit(so|66) 0.00000 0.01301 ind heit(f1|68) 1.00000 0.01271 noa heit(f2|68) 0.00000 0.03360 noa heit(fe|68) 0.00000 0.05211 noa heit(r2|68) 0.00000 0.03809 noa heit(r3|68) 0.00000 0.02718 noa heit(so|68) 0.00000 0.83631 noa heit

(so, [art=none]) = 30.77103(f1, [art=none]) = 0.46762

-heit hat kein feature, weil es zu selten vorkommt

p~(A|B) ensteht durch Auszählen der Kontextep^100(A|B) ist der GIS-Klassifikator der 100sten Iteration

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Klassifikatoren IIKlassifikatoren II(A|B) p~(A|B) p^100(A|B) B(f1|2060) 0.00000 0.00012 noa lgen ung(f2|2060) 1.00000 0.98380 noa lgen ung(fe|2060) 0.00000 0.00049 noa lgen ung(r2|2060) 0.00000 0.00569 noa lgen ung(r3|2060) 0.00000 0.00196 noa lgen ung(so|2060) 0.00000 0.00794 noa lgen ung(f1|2065) 0.00000 0.00094 def rgen ung(f2|2065) 0.75000 0.80203 def rgen ung(fe|2065) 0.00000 0.00033 def rgen ung(r2|2065) 0.25000 0.19384 def rgen ung(r3|2065) 0.00000 0.00252 def rgen ung(so|2065) 0.00000 0.00033 def rgen ung(f1|2081) 0.00000 0.00048 def von ung(f2|2081) 0.85000 0.85110 def von ung(fe|2081) 0.00000 0.00017 def von ung(r2|2081) 0.15000 0.14681 def von ung(r3|2081) 0.00000 0.00128 def von ung(so|2081) 0.00000 0.00017 def von ung(f1|2084) 0.00000 0.00077 noa von ung(f2|2084) 1.00000 0.50831 noa von ung(fe|2084) 0.00000 0.00315 noa von ung(r2|2084) 0.00000 0.42475 noa von ung(r3|2084) 0.00000 0.01250 noa von ung(so|2084) 0.00000 0.05052 noa von ung

Alle Kontexte der Länge 3:

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Fazit und AusblickFazit und Ausblick• Das Maximum Entropie Framework erlaubt eine feine Analyse der

Evidenz, die ein einzelnes Kontextmerkmal für die Klassifikation liefert.

• Die Auswahl der richtigen Merkmale ist essentiell für den Erfolg der automatischen Klassifikation. Unser Forschungsgegenstand besteht in erster Linie in der Untersuchung dieser Merkmale.

• Es werden Experimente mit kombinierten Merkmalen folgen, um die kombinierte Evidenz zu modellieren.

• Unerlässlich ist natürlich auch die Existenz von handannotierten Trainingskorpora, in denen die Verwendungstypen vermerkt sind, die wir leider noch nicht haben.