如何使用輔助任務(wù)來提升情感分類領(lǐng)域適應(yīng)？

論文標題：Learning Sentence Embeddings with Auxiliary Tasks for Cross-Domain Sentiment Classification

會議/期刊：EMNLP-2016

團隊：Singapore Management University

主要思想： 通過構(gòu)造兩個輔助任務(wù)（auxiliary tasks）來從學(xué)習(xí)句子表示，預(yù)測一個句子是否包含有通用情感詞。這些句子表示可以增強原本情感分類模型中的句子表示，從而提升模型的總體領(lǐng)域適應(yīng)能力。

論文要點一覽：

1. 借鑒了2006年EMNLP的Structural Correspondence Learning的思想

SCL是2016EMNLP的一篇解決領(lǐng)域適應(yīng)的論文，想法很新穎。核心想法是，不同領(lǐng)域的文本，通常會有一些通用的“指示詞”（稱為pivot words/features），比方在詞性標注任務(wù)中，雖然同一個詞性的詞可能在不同領(lǐng)域文本中千差萬別，但是提示詞性的特征往往是類似的，這些共同的特征就稱為pivot features。然后，那些隨著領(lǐng)域變化的，但跟這些pivot features高度相關(guān)的詞，就被稱為“聯(lián)系詞/對應(yīng)詞”（correspondences），比方在詞性標注任務(wù)中那些關(guān)注的詞性對應(yīng)的詞。

領(lǐng)域適應(yīng)中，麻煩的就是這些隨著領(lǐng)域變化的correspondences，它們往往潛藏著類別的信息，但是從表面上看是很領(lǐng)域性的，所以如果有辦法把這些詞中潛藏著的通用的類別信息給提取出來，或者把它們給轉(zhuǎn)化成通用的信息，那這些領(lǐng)域性的詞就變得通用了，就可以適應(yīng)不同領(lǐng)域了。

這個想法，確實很有意思，值得我們學(xué)習(xí)。所以這個SCL要解決的關(guān)鍵問題就是，如何讓模型看到這些領(lǐng)域詞，能轉(zhuǎn)化成通用詞。比如在情感分類中，看到評論“這個電腦運行很快！”就能反應(yīng)出來這個就是“這個電腦好！”。SCL的方法就是，我有一個通用詞的list，把這些詞從句子中挖去，然后讓剩下的部分來預(yù)測出是否包含這個詞。構(gòu)造這樣的任務(wù)，就相當于學(xué)習(xí)一個“通用語言轉(zhuǎn)化器”，把個性化的語言，轉(zhuǎn)化成通用的語言。

當然，由于是2006年的論文，所以是采用傳統(tǒng)的機器學(xué)習(xí)方法來做，得到句子表示也是通過矩陣分解這樣的方法。這個16年的新論文，則是使用的深度學(xué)習(xí)的方法進行改良和簡化，讓它變得更強大。

2. 跟傳統(tǒng)經(jīng)典方法的的主要不同

本文提到的主要傳統(tǒng)方法有兩個，一個就是著名的06年的SCL，一個是大名鼎鼎的Bengio團隊在11年ICML的使用auto-encoder的工作。

這兩個工作的一個共同點是，是分兩步進行的，即是一個序列化的方法（learn sequentially），先得到一個特征表示，改善原來的文本特征，然后再使用經(jīng)典的模型進行預(yù)測。

本論文提出的方法，既可以是兩步走的序列化方法，也可以是joint learning，讓輔助任務(wù)跟主任務(wù)共同學(xué)習(xí)。

另外，之前的auto-encoder的做法，在數(shù)據(jù)預(yù)處理的步驟，沒有考慮情感分類任務(wù)，也就是跟最終要做的任務(wù)無關(guān)，這當然也不夠好。

3. 本文是一個transductive方法，即訓(xùn)練的時候要利用到全局數(shù)據(jù)

訓(xùn)練可用的數(shù)據(jù)包括：

有標簽的訓(xùn)練集（source domain）

無標簽的測試集（target domain）

4. 輔助任務(wù)的設(shè)計&對原句子表示的加強

作者設(shè)計了兩個輔助任務(wù)：預(yù)測一句話中是否有正/負的通用情感詞。

當然，預(yù)測前，需要把句子中的通用情感詞給挖掉，用剩下的詞來預(yù)測。這樣設(shè)計的依據(jù)是什么呢？如果一句話中包含來通用情感詞，比如“好”，那么這句話多半就是正面的情感，那么這句話剩下的其他的部分，應(yīng)該也大概率會包含一些領(lǐng)域特定的反應(yīng)情感的詞，比如“（電腦）很快”。那么我們訓(xùn)練一個能夠使用這些領(lǐng)域特定的詞預(yù)測通用情感詞的模型，就可以得到一個“通用情感轉(zhuǎn)化器”，把各種不同領(lǐng)域的句子，轉(zhuǎn)化成通用的表示。

輔助任務(wù)的損失函數(shù)如下：

就是二分類交叉熵損失之和。

如下圖所示，左半邊就是一個傳統(tǒng)的分類模型。右邊的就是輔助任務(wù)對應(yīng)的模型。

通過把原句子的通用情感詞替換成［UNK］，然后使用輔助任務(wù)訓(xùn)練一個新的模型，就可以得到一個通用的句子表示向量，也就是圖中的藍色的向量。

最后，把這個向量，跟原句子向量拼接起來，就得到來加強版的句子表示，最終使用這個句子表示來做情感分類任務(wù)。

5. 聯(lián)合訓(xùn)練joint learning

上面講的方法，依然是分兩步做的，這樣會有些麻煩。其實整個框架可以同時訓(xùn)練，也就是把兩部分的損失函數(shù)合在一起進行優(yōu)化：

注意，兩部分的loss，分別來自不同的數(shù)據(jù)集，但是在輔助模型分布，是兩部分數(shù)據(jù)都會使用的，見圖中畫藍線的地方。

就是代碼實現(xiàn)上，我一開始想不通如何讓兩個不同的數(shù)據(jù)集（labeled source data和unlabeled target data）放在一起同時訓(xùn)練，看了看作者的代碼也沒看明白（基于Lua的torch寫的），直到我看到了作者readme最后寫了一個提示：

就是說，所謂的joint learning，并不是真正的joint，相當于一種incremental learning（增量學(xué)習(xí)）。每個epoch，先把source部分的數(shù)據(jù)給訓(xùn)練了，然后再輸入target部分來優(yōu)化auxiliary部分的模型。

6. 如何選擇pivot words

本文使用了一種叫weighted log-likelihood ratio（WLLR）的指標來選擇最通用的情感詞作為pivot words。這個WLLR的公式如下：

公式里的y就是標簽，而y一杠是相反的標簽。w則代表某個詞。從公式可以看出，當一個詞在一個標簽的文本中經(jīng)常出現(xiàn)，而在相反標簽的文本中出現(xiàn)很少，那么這個詞的WLLR值就高。

在SCL論文中，使用的是互信息，但是作者發(fā)現(xiàn)互信息偏愛那些低頻詞，相比之下WLLR則公平一些，因此作者選擇WLLR。

7. 數(shù)據(jù)集和實驗結(jié)果

實驗結(jié)果主要表明，Joint Learning確實可以。但Sequential則效果不敢恭維。。。這一點是我覺得容易讓人詬病的地方，畢竟按照前文中介紹的，即使是Sequential，也因為學(xué)習(xí)到了很好的句子表示，應(yīng)該效果也很不錯才對。

另外實驗結(jié)果中，對比一下機器學(xué)習(xí)方法和深度學(xué)習(xí)方法可以看出，只是用離散特征，效果完全比不是深度學(xué)習(xí)使用連續(xù)特征的方法。注意，這里的NN是指CNN，使用了詞向量，而詞向量相當于已經(jīng)擁有了很多外部知識了，所以一個單純的CNN，不進行任何的domain adaptation的設(shè)計，都比傳統(tǒng)的SCL等方法都好。

作者還做了一些“使用部分target標注數(shù)據(jù)來訓(xùn)練”的實驗：發(fā)現(xiàn)，也有微弱的提升（0.6%實在不算多哈）。并且，隨著標注數(shù)據(jù)量的提升，差距還在縮?。?/p>

8. Case Study

這里的case study值得學(xué)習(xí)，分析的很細致，邏輯清晰，還印證了論文的理論假設(shè)。即，作者對比了單純的CNN和使用了輔助任務(wù)來訓(xùn)練的CNN，在分類時的重要詞匯是哪些，發(fā)現(xiàn)了一些有趣的現(xiàn)象。

我們這里稱單純的CNN為NaiveNN，使用輔助任務(wù)的序列化方法為Sequential，聯(lián)合訓(xùn)練的則為Joint。其中，Sequential和Joint又可以把模型分成兩個部分，分別為-original和-auxiliary。

總結(jié)一下：

NaiveNN抽取出來的，多半都是“通用情感詞”；

Sequential-original提取出來的跟NaiveNN類似；

Sequential-auxiliary提取出的，多半是“領(lǐng)域詞”，包括“領(lǐng)域情感詞”和“領(lǐng)域類型詞”，后者是該領(lǐng)域的一些特征詞，但并不是情感詞，所以是個噪音，可能會對情感模型產(chǎn)生負面影響；

Joint-auxiliary則提取出的基本都是“領(lǐng)域情感詞”，即相比于sequential少了噪音；

Joint-original則可提取出“通用情感詞”和“領(lǐng)域情感詞”，因為它跟aux部分共享了sentence embedding。

雖然case study一般都是精挑細選過的，但至少作者分析總結(jié)的還是很到位，也就姑且信了。

最后：

總的來說，這是一個想法較為新穎，方法較為實用，思路也make sense的工作。巧妙地借用了SCL的思想，并做了合理的簡化和升級，取得了還不錯的效果。

編輯：jq