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Einfuhrung in die Computerlinguistik
Hinrich Schutze
Center for Information and Language Processing
2018-10-15
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Die Grundfassung dieses Foliensatzes wurde von Dr. BenjaminRoth erstellt. Fehler und Mangel sind ausschließlich meineVerantwortung.
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Outline
1 Was ist Computerlinguistik?
2 Organisation
3 Linguistik
4 CL-Methoden
5 Sprachtechnologie
6 Allgemeines
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1 Was ist Computerlinguistik?
2 Organisation
3 Linguistik
4 CL-Methoden
5 Sprachtechnologie
6 Allgemeines
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Was ist Computerlinguistik?
Definition
Computational linguistics is the scientific study of models andmethods for automatic processing of natural language.Computational linguistics is an interdisciplinary field that shares alarge part of its subject matter with computer science andlinguistics. However, computational linguists also work on theories,models and methods that are not part of core linguistics or corecomputer science.
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Definition
Computational linguistics is the scientific study of models andmethods for automatic processing of natural language.Computational linguistics is an interdisciplinary field that shares alarge part of its subject matter with computer science andlinguistics. However, computational linguists also work on theories,models and methods that are not part of core linguistics or corecomputer science.
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Was ist Computerlinguistik?
Definition
Computational linguistics is the scientific study of models andmethods for automatic processing of natural language.Computational linguistics is an interdisciplinary field that shares alarge part of its subject matter with computer science andlinguistics. However, computational linguists also work on theories,models and methods that are not part of core linguistics or corecomputer science.
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Was ist Computerlinguistik?
Definition
Computational linguistics is the scientific study of models andmethods for automatic processing of natural language.Computational linguistics is an interdisciplinary field that shares alarge part of its subject matter with computer science andlinguistics. However, computational linguists also work on theories,models and methods that are not part of core linguistics or corecomputer science.
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Teilbereiche der Computerlinguistik
Traditionell zwei Teilbereiche:
1 Theoretische Computerlinguistik: Sieht sich als Teildisziplinder Linguistik, die formale berechenbare Modelle naturlicherSprache entwickelt, implementiert und untersucht.
2 Angewandte Computerlinguistik: interdisziplinaresForschungsgebiet (Linguistik, Informatik), das konkreteAlgorithmen fur die maschinelle Sprachverarbeitung entwickelt(maschinelle Ubersetzung, Spracherkennung ...)
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Disziplinen: Eine leicht andere Sicht
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Disziplinen: Eine leicht andere Sicht
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Flying systems in nature
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Noch eine andere Sicht
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Anwendungen der Computerlinguistik
Haufigkeitsanalysen von Vorkommen von Wortern undlinguistischen PhanomenenLexikographie (Thesauri, Worterbucher)Suche: Google, Facebook etc. Sehr große Menge anInformation, aber hochgradig unstrukturiert → direkterZugang zu relevanten Daten ist schwierig.Dialoganwendungen: Zugang zu komplexen Systemen, z.B.Bestellung eines Bahn- oder Flugtickets, Interaktion mit Bank,auch mit naturlichsprachlichen AnwendungenUbersetzungssysteme: fremdsprachige Web-Seiten,Gebrauchsanweisungen, Social Media etc.automatische Silbentrennung, Rechtschreibprufung und-korrekturautomatische SpracherkennungInformationsextraktion, z.B. relevante Qualifikationen ausBewerbungsschreiben und Lebenslaufen maschinell extrahieren
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Berufsfelder fur Computerlinguistik
Verarbeitung gesprochener Sprache fur die Interaktion mitComputern
Verarbeitung von Texten (suchen, bearbeiten und verwalten)
Einsatz sprachtechnologischer Software und Ressourcen (inVerlagen, Ubersetzungsburos, Verwaltungen etc.): MaschinelleUbersetzung, elektronische Worterbucher, Spracherkennung,Sprachgenerierung, Optical-Character-Recognition-Verfahren(OCR)
akademischer Bereich
Bedarf an Experten steigt tendenziell
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Typische Forschungsgegenstande
Entwicklung von Methoden (Theorie)
Entwicklung realistischer Anwendungen (Praxis)
Aufbau und Verwaltung großer wiederverwendbarer Korpora(Daten)
Konzeption effektiver Evaluierungsmechanismen(Experimente)
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Nachbardisziplinen (1)
Linguistik
Die Wissenschaft, die sich mit menschlicher SprachebeschaftigtGrundinventar linguistischer TerminiTeilgebiete: Phonetik/Phonologie, Morphologie, Syntax,Semantik, Pragmatik; Korpuslinguistik
Informatik (Algorithmen, Datenstrukturen, SoftwareEngineering)
Kognitionswissenschaft (Sprachbeherrschung ist speziellerTeilbereich der kognitiven Fahigkeiten des Menschen)
Kunstliche Intelligenz (knowledge representation, reasoning,learning)
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Nachbardisziplinen (2)
Philosophie (Verbindung von Sprache, Denken und Handeln;Relation zu außersprachlichen Gegebenheiten)
Mathematik
Insbesondere: Logik, Wahrscheinlichkeitstheorie, Statistik,Graphentheorie
Sprache ist oft nicht logisch:
(1) Ein großer Berg vs. Eine große Ameise→ Vagheit des Adjektivs (kein Problem fur Menschen) →Logik ist nicht der geeignete Formalismus?
(2) Vogel fliegen. / Pinguine sind Vogel. / Pinguine fliegen.→ scheinbar widerspruchliche Aussagen (Mensch hat wenigProbleme damit)
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1 Was ist Computerlinguistik?
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4 CL-Methoden
5 Sprachtechnologie
6 Allgemeines
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Personal
Vorlesung / Ubung
Prof. Dr. Hinrich SchutzeMSc Alena Moiseeva
Tutorien / Aufgaben
Ivana Daskalovska (Tutorium ab 2018-10-23)Falk SpellerbergJohanna StreblJannis Vamvas
Sie erreichen uns unter:eicl1819 (at) cis.lmu.de
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Vorstellung
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Ubungstermine
Zur Klarung von Fragen zu Ubungsblattern und Vorlesung.
Vorlesung/Ubung am Freitag:
Freitags 10:15-11:45
Extra-Tutorat (Ivana Daskalovska):
Dienstags 12:15-13:45, U127
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Ubungsaufgaben
Bearbeitung in Moodle
Freischaltung: Jeweils Freitags nach der Vorlesung.
Diese Woche: Ausnahme
Bearbeitungsfrist: Freitags (eine Woche spater) vor derVorlesung.
Ubungsblatter mussen von den Teilnehmern eigenstandigbearbeitet werden.
Klausurbonus: In Abhangigkeit der erreichten Ubungspunktewird ein Klausurbonus von bis zu 10% der maximalerreichbaren Klausurpunkte gewahrt, wenn die Klausur auchohne die Bonuspunkte als bestanden gewertet wurde.
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Sonstiges
Fur die meisten Vorlesungen wird es einen zu lesenden kurzen(je ca. 10 Seiten) Abschnitt aus einem Lehrbuch geben.
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Vorlesungsgliederung
Teil 1: SprachwissenschaftKlassische Aufteilung von sprachlicher “Form” zukommunikativer “Funktion”
Teil 2: Computerlinguistische MethodenComputerlinguistische Techniken, die in verschiedenenKontexten genutzt werden
Teil 3: Computerlinguistische AnwendungenPraktische Anwendungen, wie z.B. automatischeUbersetzungssysteme.
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Vorlesungsgliederung
Teil 1: Sprachwissenschaft1 Phonetik / Phonologie
Merkmale sprachlicher LauteLautsystem, Lautstrukturen
2 MorphologieWortbildung, Flexion, WortartenWortstrukturen
3 SyntaxGroßere sprachliche Einheiten und deren ZusammenhangSatzstrukturen
4 SemantikBedeutung sprachlicher EinheitenBedeutungsstrukturen
5 PragmatikSprache im kommunikativen KontextKommunikative Bedeutung
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Vorlesungsgliederung
Teil 2: Computerlinguistische Methoden1 Regulare Sprachen, Endliche Automaten
Beschreibungsmittel fur einfache Zeichenketten.2 Hidden Markov Models, Wortartenzuweisung
Statistische Verfahren, Wortarten zu bestimmen.3 Kontextfreie Grammatiken, Parsing
Automatische syntaktische Analyse.
Teil 3: Computerlinguistische Anwendungen
1 Maschinelle Ubersetzung.2 Suchmaschinen.
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Moodle
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Startseite
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Vertiefung
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Fachschaftsfuhrung?
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Fragen?
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Outline
1 Was ist Computerlinguistik?
2 Organisation
3 Linguistik
4 CL-Methoden
5 Sprachtechnologie
6 Allgemeines
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Sprachliche Einheiten
geschrieben gesprochen
Buchstabe Laut
Silbe Silbe
Wort Wort
Phrase Phrase
Satz Außerung
Paragraph Discourse
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Sprachwissenschaft = Linguistik
beschreibt Strukturen der Sprache(n) auf den Ebenen
des Lautsystems
des Aufbaus von Wortern
der Kombination von Wortern zu Phrasen und Außerungen
der Bedeutung dieser Außerungen, insbesondere im(außersprachlichen) Kontext (⇒ Pragmatik)
erklart das Funktionieren dieser Strukturen alsKommunikationsmittel
zunachst einzelsprachlich, aber durch Vergleich undGeneralisierungen auch sprachubergreifend (universell)
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Sprachliche Einheiten
Einheit Teildisziplin
Laut Phonetik, Phonologie
Silbe Phonetik, Phonologie
Wort Morphologie
Phrase Syntax
Satz, Außerung Syntax, Semantik
Discourse Pragmatik
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Verstehen von Sprache (gesprochen)
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Erzeugen von Sprache (gesprochen)
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Teilgebiete der Linguistik
Phonetik und Phonologie
Morphologie
Syntax
Semantik
Pragmatik
Jedes dieser Teilgebiete hat auch eine Entsprechung in derComputerlinguistik.
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Phonetik und Phonologie
artikulatorische Merkmale
Lautstruktur naturlicher Sprachen
Spracherkennung: Erkennung und Produktion gesprochenerSprache
modellieren, welche Segmente ein Wort enthalt und wie sichderen Struktur auf die Aussprache auswirkt
z.B. wenn ein im Prinzip stimmhafter Konsonant amWortende stimmlos wird (“Auslautverhartung”):
(3) Dieb /Di:p/ vs. Diebe /Di:be/
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Morphologie
Bildung und Struktur von Wortern
Was ist die lexikalische Wurzel einzelner Worter?
Welche Prozesse sind verantwortlich fur unterschiedlicheErscheinungsformen an der Oberflache?
Veranderung der Verwendung und Bedeutung des Wortesdurch Oberflachenmodifikationen
z.B. Suffix -e als Pluralmarkierung:
(4) Dieb-e → Dieb-pl → “Mehr als ein Dieb”
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Syntax
Strukturbildung von Satzen
traditionell am starksten vertretene Teildisziplin derComputerlinguistik
Erkennung von Grammatikalitat und darauf folgendeBedeutungserschließung
z.B.
(5) Der gewitzte Dieb stahl das Geld.vs.*Der Dieb gewitzte stahl das Geld.
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Semantik
Bedeutung sprachlicher Einheiten (Wort, Satz etc.)
z.B.
(6) Die Polizei beschlagnahmte das Diebesgut.vs.Das Diebesgut beschlagnahmte die Polizei.
→ gleiche Bedeutung
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Pragmatik
Zweck einer Außerung in der Welt, z.B.Wissen Sie, wie spat es ist?
Bestimmung des Bezugs von Wortern: Antezedens einesPronomens, z.B.:Die Katze schnurrt. Sie hat Hunger.
implizite Annahmen (Prasuppositionen), z.B.:“Welche Drogen hat Peter genommen?”Prasupponiert: Peter hat Drogen genommen.
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Korpuslinguistik
Methode, die auf alle Beschreibungsebenen angewandt werdenkann
seit Anfang 1980er
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Text corpus
Definition
A corpus (plural corpora) or text corpus is a large and structuredset of texts, nowadays usually electronically stored and processed.
Corpora are used to do statistical analysis and hypothesistesting, checking occurrences or validating linguistic ruleswithin a specific language territory.
A corpus may contain texts in a single language (monolingualcorpus) or text data in multiple languages (multilingualcorpus).
(from Wikipedia)
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Verwendung von Korpora
Erkennung gesprochener Sprache
Wortartendisambiguierung (Tagging)
syntaktische Analyse (Parsing)
semantische Lesartendisambiguierung (z.B. Bank 1 vs. Bank2)
maschinelle Ubersetzung
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Slido
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Outline
1 Was ist Computerlinguistik?
2 Organisation
3 Linguistik
4 CL-Methoden
5 Sprachtechnologie
6 Allgemeines
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Fur jede Sprachliche Beschreibungsebene gibt es passendeComputerlinguistische Methoden
Phonetik - Signalverarbeitung (Spracherkennung -Sprachsynthese)
Morphologie - Wortzerlegung, Wortartenbestimmung
Syntax - computerlesbare Grammatiken, automatischeSyntaktische Analyse
Semantik - Wissensdatenbanken, automatische semantischeAnalyse
Pragmatik - Koreferenzresolution, Kontextmodellierung(Dialogsysteme, Sprachliche Schnittstellen z.B. in derRobotik)
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Computerlinguistische Methoden zu denBeschreibungsebenen
Wortzerlegung - Endliche Automaten
Wortartenbestimmung - HMMs
computerlesbare Grammatiken - CFGs
automatische Syntaktische Analyse - Parsing
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Mehr Terminologie
Verarbeitung Modalitat Mensch Maschine
Produktion Lautsprache Sprechen SyntheseSchriftsprache Schreiben Generierung
Rezeption Lautsprache Horen ErkennungSchiftsprache Lesen Analyse
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1 Was ist Computerlinguistik?
2 Organisation
3 Linguistik
4 CL-Methoden
5 Sprachtechnologie
6 Allgemeines
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Anwendungen kombinieren oft viele verschiedeneMethoden, um eine bestimmte Aufgabe zu losen
Spracherkennung (Diktiersysteme, Transkription z.B.Untertitel)
Sprachsynthese
Rechtschreibkorrektur
Maschinelle Ubersetzung DeepL:https://www.deepl.com/translator
Google translate: https://translate.google.com/
Automatische Zusammenfassung (Summarisation)
Suchmaschinen / Information Retrieval
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Anwendungen kombinieren oft viele verschiedeneMethoden, um eine bestimmte Aufgabe zu losen
Dokumentklassifikation
Strukturierte Gliederung von Information /Relations-Extraktion
Frage-Beantwortung (Question Answering)Start-System (MIT): http://start.csail.mit.edu/
Sentiment-AnalyseBsp.: Ist dies eine gute oder eine schlechte Bewertung? “DerFilm hat mich ja nicht so richtig begeistert, auch wennmanche behaupten, er ware ganz toll.”Dialogsysteme
Telefonie-Systeme: Telefonbanking, FahrplanauskunftGeratebedienungInteraktion mit virtuellen Agenten und Robotern
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Anwendungen kombinieren oft viele verschiedeneMethoden, um eine Bestimmte Aufgabe zu losen
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Geschichte der Methoden der Maschinellen Ubersetzung(Machine Translation, MT)
Worter nachschlagen, aneinanderreihenMorphologische AnpassungenSyntaktische UmstellungsregelnVolle syntaktische Analyse (“parsing”)
⇒TransferSemantische Analyse (Disambiguierung)
⇒InterlinguaUnterstutzung durch Welt-WissenUbersetzen mit Statistik/Wahrscheinlichkeiten
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MT Transfer
Transfer: Direkte Ubersetzung von sprachlichen Elementen, ohneBedeutungsambiguitaten notwendigerweise aufzulosen.
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MT Syntaktischer Transfer
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MT Interlingua
Interlingua: Sprachunabhangige Reprasentation von Bedeutung, indie Sprache uberfuhrt werden kann und umgekehrt.
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MT Interlingua (Beispiel)
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Outline
1 Was ist Computerlinguistik?
2 Organisation
3 Linguistik
4 CL-Methoden
5 Sprachtechnologie
6 Allgemeines
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Kleine Geschichte der Computerlinguistik (1)
fruhe Entwicklung der Computertechnologie (1930er-,40er-Jahre): numerische Problemstellungen (“Berechnungen”,z.B. ballistische Kurven), auch symbolischeVerarbeitungsaufgaben (Dechiffrierung verschlusselterNachrichtentexte → maschinelle Ubersetzung (MU) alsSpezialfall einer Dekodierungsaufgabe)
fruhe Ansatze der MU haben gemeinsame Wurzel:stochastische Informationstheorie (Betrachtung desfremdsprachlichen Textes als Ergebnis der Ubertragung einerNachricht uber gestorten Kanal → Aufgabe: Rekonstruktiondes ursprunglichen Nachrichtentextes)
Statistische Verfahren wurden dann fur Jahrzehnteaufgegeben.
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Kleine Geschichte der Computerlinguistik (2)
Abkehr von statistischen Verfahren weil
Chomsky die Unzulanglichkeit der statistischen Verfahren der50er und 60er fur Sprachmodellierung nachweist.
die Leistungsfahigkeit der damaligen Hardware nichtausreichte (Beschrankungen bevorzugen symbolische Ansatze)
nicht genugend digitalisierte mehrsprachige Textdaten zurVerfugung standen
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Herausforderungen der Computerlinguistik:Variabilitat und Ambiguitat (Mehrdeutigkeit)
Schwierigkeiten fur Sprachverarbeitungsysteme:
Variabilitat: Die selbe Bedeutung kann durch viele sprachlicheFormen ausgedruckt werden.
Ambiguitat: Dieselbe sprachliche Form kann verschiedeneInformationen ausdrucken (erst duch den Kontext kannerschlossen werden, was gemeint ist).
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Typen von Ambiguitat
Phonetische Ambigitat (Homophone):Miene - Mine, Meer - mehr, viel - fiel⇒ Unterschiedliche Worter haben dieselbe lautliche Form.
Orthographische Ambiguitat (Homographen):ubersetzen - uber-setzen, umfahren - um-fahren⇒ Unterschiedliche Worter werden gleich geschrieben.
Lexikalische Ambiguitat (Homonyme):Maria geht zum Ball.⇒ Ein Wort hat mehrere verschiedene Bedeutungen.
Morphologische Ambiguitat:Staub-ecken - Stau-becken⇒ Eine Wortform kann auf unterschiedliche Arten analysiertwerden.
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Typen von Ambiguitat
Strukturelle/syntaktische Ambiguitat:1 Visiting relatives can be boring.2 Peter fuhr seinen Freund sturzbetrunken nach Hause.3 Ich traf den Sohn des Nachbarn mit dem Gewehr.
⇒ Die Grammatikregeln lassen verschiedene Analysen zurKombination der Satzelemente zu.
Kompositionell-semantische Ambiguitat bzw.Skopusambiguitat:
1 Die zwei Mitarbeiter mussen vier Sprachen beherrschen.2 Some student likes every course.3 Alle Politiker sind nicht korrupt.
⇒ Quantifikatoren (alle, jeder, zwei) und Negationen konnensich auf verschieden große Satzteile beziehen.
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Typen von Ambiguitat
Pragmatische Ambiguitat:1 Konnten Sie die Aufgabe losen?2 Haben Sie eine Uhr?
⇒ Der Bezug einer Aussage zum außerlinguistischen Kontextkann auf mehrere Arten hergestellt werden.
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Wie mit Ambiguitat umgehen?
Alle Lesarten berechnen / aufzahlen.Ist in der Regel nicht praktikabel, manchmal aber vontheoretischem Interesse.Unterspezifizierte Reprasentation verwenden, die allemoglichen Lesarten in einer kompakten Darstellungzusammenfasst.Nur die aufgrund des Kontextes praferierte(n) Lesartenberechnen / aufzahlen.Erfordert ein geeignetes gewichtetes / probabilistischesModell, oder zusatzliche Information (Weltwissen).Probabilistisches Modell: Statistisches Modell, dasverschiedenen Moglichkeiten Wahrscheinlichkeiten zuweist.Ein System kann sich dann fur die wahrscheinlichste Varianteentscheiden. Die Wahrscheinlichkeiten konnen z.B. durchAuswertung von durch Menschen annotierte Trainingsdatengewonnen werden.
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Literatur
Jurafsky & Martin: Speech and Language Processing.Pearson Prentice Hall. 2008.(Lehrbuchsammlung)
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Literatur
Carstensen et al.: Computerlinguistik und Sprachtechnologie.Eine Einfuhrung. Heidelberg 2010 (3. Auflage)(Elektronische Version:https://login.emedien.ub.uni-muenchen.de/login)
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Literatur
Muller: Arbeitsbuch Linguistik. Schoningh / UTB. 2009.(Elektronische Version: s.o.)
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Literatur
Fromkin, Rodman, Hyams: An Introduction to Language.2011.
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Literatur
Bender: Linguistic Fundamentals for Natural LanguageProcessing. Morgan & Claypool. 2013.
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Literatur
Manning, Raghavan, Schutze: Foundations of Introduction toInformation Retrieval. Cambridge University Press. 2008.https://nlp.stanford.edu/IR-book/
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Literatur
Keith Brown (ed.): Encyclopedia of Language & linguistics.Elsevier. 2006.(Elektronische Version: s. Homepage)
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Zum Schluss: Besonders klausurrelevant
Mit welchen Themen beschaftigt sich CL?
Wie verhalt sich CL zu ihren Nachbardisziplineninsbesondere Linguistik und Informatik?
Fur welche technischen Anwendungen wird CL gebraucht.
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