（最先端NLP2022）DiffCSE: Difference-based Contrastive Learning for Sentence Embeddings

最先端NLP2022（2022/9/26-27開催）勉強会にて，発表に用いたスライドです．

・最先端NLP勉強会：https://sites.google.com/view/snlp-jp/home/2022?authuser=0

・論文情報
Title: DiffCSE: Difference-based Contrastive Learning for Sentence Embeddings (NAACL 2022)
Authors: Yung-Sung Chuang, Rumen Dangovski, Hongyin Luo, Yang Zhang, Shiyu Chang, Marin Soljačić, Shang-Wen Li, Wen-tau Yih, Yoon Kim, James Glass
paper URL (OpenReview): https://openreview.net/forum?id=SzGgMLQfSb5

・発表者情報
東北大学 乾・坂口・徳久研究室
阿部 香央莉

Transcript

1. 紹介︓
   乾・坂⼝・徳久研究室
   博⼠3年 阿部 ⾹央莉
   2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 1
   ※資料中の図表は注釈がない限り元論⽂からの引⽤です
   

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2. • SimCSE [Gao+, 2021] より頑健な教師なし⽂表現学習の枠組みを
   提案
   • SimCSE: 最新のBERT系⽂表現モデルでとりあえずコレ，なモデル
   • SimCSEのlossにsensitiveな擬似事例を考慮する項を追加
   （= 擬似事例のうち，元⽂と区別してほしい例はちゃんと区別したい）
   • Sensitiveな擬似事例 : （今回は）MLMでトークン置換した⽂
   • Computer Vision分野 [Dangovski+, 2021] からinspired
   • Ablation, analysisが厚め
   Overview
   2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 2
   [Dangovski+, 2021] Equivariant Self-Supervised Learning: Encouraging Equivariance in Representations.
   ICLR2022 https://openreview.net/forum?id=gKLAAfiytI
   [Gao+, 2021] SimCSE: Simple Contrastive Learning of Sentence Embeddings. EMNLP2021
   https://aclanthology.org/2021.emnlp-main.552/
   

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3. • 幅広い下流タスクで性能を出す“汎⽤”⽂表現モデル
   (sentence encoder) の学習が重要
   • 下流タスク︓レビュー予測，感情分析，検索 …
   • モデル︓Universal Sentence Encoder, Sentence-BERT, SimCSE …
   • 近年のトレンドは対照学習 (contrastive learning) による
   ⾃⼰教師あり学習 (self-supervised learning)
   • 似ている表現ペアは近づける（異なる表現ペアは遠ざける）
   背景1: 対照学習で汎⽤⽂表現を獲得
   2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 3
   私は学⽣です。
   僕は⾼校⽣です。
   りんごが5個ある。
   みかんが3個ある。
   りんごが3個ある。
   ※⽂表現空間のイメージ図
   

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4. •対照学習で⾃⼰教師あり学習 → 正例・負例ペアを
   擬似的に⽣成（data augmentation）
   •Unsupervised SimCSE [Gao+, 2021] の場合
   背景1: Data augmentationにより対照学習
   2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 4
   正例︓ 元⽂ 元⽂の隠れ層表現をdropout
   負例︓ 元⽂ 同⼀バッチ中の他の例
   私は学⽣です。 私は学⽣です。
   近づける
   私は学⽣です。 りんごが5個ある。
   遠ざかる
   

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5. •対照学習で⾃⼰教師あり学習 → 正例・負例ペアを
   擬似的に⽣成（data augmentation）
   •Unsupervised SimCSE [Gao+, 2021] の場合
   背景1: Data augmentationにより対照学習
   2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 5
   正例︓ 元⽂ 元⽂の隠れ層表現をdropout
   負例︓ 元⽂ 同⼀バッチ中の他の例
   私は学⽣です。 私は学⽣です。
   近づける
   私は学⽣です。 りんごが5個ある。
   遠ざかる
   上⼿い擬似事例
   の作り⽅が鍵
   

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6. •対照学習で⾃⼰教師あり学習 → 正例・負例ペアを
   擬似的に⽣成（data augmentation）
   •Computer vision (CV) 分野の場合
   背景1: Data augmentationにより対照学習
   2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 6
   正例︓ 元画像 元画像からの transformation
   負例︓ 元画像 同⼀バッチ中の他の例
   近づける
   遠ざかる
   上⼿い擬似事例
   の作り⽅が鍵
   ※画像は[Dangovski+, 2021]
   [Chen+, 2020]より拝借
   グレースケール
   (distortion)
   回転
   (rotation)
   

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7. 先⾏研究︓equivariant contrastive learning [Dangovski+, 2021]
   • 気持ち︓“正例” 扱いしていた擬似事例をより細かく識別しよう︕
   • [Chen+, 2020]「回転にinsensitiveな表現であるモデルがベンチマーク上で
   の性能良くない」 （※CV分野の研究）
   → insensitive/sensitiveな擬似事例に対し，2種類のlossを⽤いる
   Insensitiveな例 : グレースケール → contrastive loss
   Sensitiveな例 : 回転 → prediction loss
   背景2: Insensitive/Sensitiveな事例を区別して対照学習
   2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 7
   元の例と似ている例の表現を，
   元の例の表現と近づける
   元の例と異なる例に対し，
   元の例からの変更箇所を予測
   [Chen+, 2020] A simple framework for contrastive learning of visual representations. In International conference on
   machine learning, pages 1597–1607. PMLR. https://arxiv.org/pdf/2002.05709
   ※図は[Dangovski+, 2021]より拝借
   

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8. • Insensitive/sensitiveな擬似事例に対し，2種類のlossを⽤いる
   Insensitive : 隠れ層dropout → contrastive loss
   Sensitive : MLMによるトークン置換 → prediction loss
   • [Gao+, 2021] 「（正例として）隠れ層dropout > 特定のトークン置換」
   → 後者は時として意味が変わるため，元⽂ <-> 置換後⽂の表現同⼠を必ずしも
   近づける必要がないのでは︖
   本研究︓これをNLP（⽂表現獲得）に応⽤
   2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 8
   🤔 どこからinsensitive/sensitiveな擬似事例︖
   • 結局，何を基準に判断するのか︖
   • dropoutも割合を⾼くすると本来の意味を損なう（=sensitive）
   • MLMによる置換でも本来の意味を損なわない場合もありえる（=insensitive）
   • NLPの置換然りCVの回転然り，実際に悪影響があるかどうかで判断︖
   → しばらくモデルを触ってみないとわからない…︖︖😥
   

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9. Architecture: 2種類のloss
   2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 9
   Contrastive loss
   （隠れ層dropout）
   Prediction loss
   （MLMによる置換）
   

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10. Architecture: Contrastive loss（隠れ層dropout）
    2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 10
    Contrastive loss
    （隠れ層dropout）
    Prediction loss
    （MLMによる置換）
    • Unsupervised SimCSE [Gao+, 2021]と同じ
    ※図は[Gao+, 2021]
    より引⽤
    N: バッチサイズ，sim: cos類似度，
    τ: 温度 (hyper parameter)
    元⽂隠れ層
    元⽂隠れ層
    dropout
    元⽂隠れ層 ランダム取得
    した⽂の
    隠れ層dropout
    厳密にはこっちにも
    Transformer標準の
    dropoutあり
    

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11. Architecture: Prediction loss（MLMによる置換）
    2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 11
    Contrastive loss
    （隠れ層dropout）
    Prediction loss
    （MLMによる置換）
    • 基本的発想︓ELECTRA [Clark+, 2020] のprediction objectiveの「条件付き」ver
    （復習）ELECTRA : Generator & Discriminatorの組み合わせ
    (1) 元の例をランダムに[MASK]
    (2) MLM (Generator) で[MASK]を予測
    (3) Discriminator（下式）により，どのトークンが置換されたか予測
    [Clark+, 2020] ELECTRA: Pre-training Text Encoders as Discriminators Rather Than Generators
    https://arxiv.org/abs/2003.10555
    位置𝑡にあるトークンが
    元⽂と同じ
    位置𝑡にあるトークンが
    元⽂と異なる
    ※式は[Clark, 2020]
    より引⽤
    

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12. Architecture: Prediction loss（MLMによる置換）
    2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 12
    Contrastive loss
    （隠れ層dropout）
    Prediction loss
    （MLMによる置換）
    • 基本的発想︓ELECTRA [Clark+, 2020] のprediction objectiveの「条件付き」ver
    位置𝑡にあるトークンが
    元⽂と同じ
    位置𝑡にあるトークンが
    元⽂と異なる
    𝐷: Discriminator, 𝑇: ⽂⻑
    𝑥: 元⽂, 𝑥′′: 置換後の⽂, 𝐡: 隠れ層, 𝑡: トークンの位置
    

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13. Architecture: Prediction loss（MLMによる置換）
    2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 13
    Contrastive loss
    （隠れ層dropout）
    Prediction loss
    （MLMによる置換）
    • 基本的発想︓ELECTRA [Clark+, 2020] のprediction objectiveの「条件付き」ver
    条件付きDiscriminator 𝐷
    により， 𝐷の勾配が
    𝐡 = ⽂エンコーダ𝑓に
    逆伝播される
    𝐷: Discriminator, 𝑇: ⽂⻑
    𝑥: 元⽂, 𝑥′′: 置換後の⽂, 𝐡: 隠れ層 (=𝑓(𝑥)), 𝑡: トークンの位置
    

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14. • 2種類のタスクで評価
    • STS : 2⽂間の類似度予測タスク
    • Transfer task : SentEval [Conneau&Kiela, 2018] 中のタスク
    • review, sentiment analysisなどの1⽂に対する分類タスクが中⼼
    • モデルから得られた⽂表現を各タスクに対しロジスティック回帰
    で転移学習（transfer learning）
    Evaluation: STS & Transfer task in SentEval
    2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 14
    [Conneau&Kiela, 2018] SentEval: An Evaluation Toolkit for Universal Sentence Representations.
    * https://github.com/facebookresearch/SentEval
    [Wang+, 2022] Just Rank: Rethinking Evaluation with Word and Sentence Similarities.
    https://aclanthology.org/2022.acl-long.419/
    余談︓🤔 STSとTransfer taskの評価結果の傾向が合わない [Wang+, 2022]
    • 原因︓ドメインの不⼀致やSTSの類似度基準の曖昧性（クラウドソーシングに
    よるアノテーション）
    • 本論⽂でも，Ablation StudyやAnalysis部分では頻繁に傾向が異なる
    • [Wang+, 2022]では新しい⽂類似度評価指標の提案も = 「STSを使った評価はダメ」
    • これが主流になっていくのかどうかは不明
    

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15. Experiment: STS & Transfer task in SentEval
    2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 15
    STS, Transfer task
    ともにDiffCSEが
    SimCSEを上回る
    STS（上）,
    Transfer task（下）
    ともに “概ね”
    DiffCSE > SimCSE
    ※DiffCSEはSimCSEと完全に
    同じデータで学習
    「元としたデータ」は同じだが，
    「⾒た例」は厳密には
    augmentationで異なるはず
    

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16. Experiment: STS & Transfer task in SentEval
    2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 16
    よく⾒ると…🔍
    🤔 DiffCSEは
    SimCSE w/ MLM
    （MLMを⽂表現学習
    のauxiliary taskとし
    て使ったもの）より
    少し劣る…︖
    ※SimCSE w/ MLMは
    Transfer taskの性能を
    Boostする⽅法として
    [Gao+, 2021]のAppendixで提案
    

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17. 1. Generatorのサイズ
    2. Maskに関するあれこれ（割合，置換/挿⼊/削除）
    3. BatchNormが効果的
    4. Contrastive lossを抜いてみた
    5. Quick-Thoughts [Logeswaran&Lee, 2018] 期における
    「次の⽂」を予測するobjectiveを試してみた
    • 本研究は「同じ⽂のどこに⼿を加えたか」の予測
    6. Prediction lossを他の条件付きMLMに置き換えてみた
    Ablation Study（たくさん）
    2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 17
    [Lageswaran&Lee, 2018] An efficient framework for learning sentence representations.
    https://openreview.net/forum?id=rJvJXZb0W
    

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18. Ablation Study: Generatorのサイズ
    2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 18
    ELECTRA [Clark+, 2020] : GeneratorはDiscriminatorの1/4-1/2程度 = 弱めが良い
    → Discriminatorに程よい難しさの擬似事例を与えると良い
    DiffCSE︓
    • STS : largeでも下がる（ELECTRA同様?）が，medium → tinyで結構下がる
    → ⼩さすぎると条件付きDiscriminatorで学習した⽂エンコーダにとって簡単すぎる︖
    • Transfer : ⼤きな変化はなし
    ⼩
    サイズ
    ⼤
    

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19. Analysis: Uniformity & Alignment
    2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 19
    SimCSEはUniformity，DiffCSEはAlignmentの観点でそれぞれ優れている
    [Wang&Isola, 2020] Understanding contrastive representation learning through alignment and uniformity on
    the hypersphere. https://proceedings.mlr.press/v119/wang20k.html
    [Wang&Isola, 2020] 「対照学習で得られたembedding分布において，以下の2要素と
    下流タスクの性能に相関あり」
    • Alignment : 正例とされたペアが近く配置されているか
    • Uniformity : embeddingの分布がuniform（⼀様）になっているか
    🤔 性能が低いAvg. BERTとUniformityは同程度 but STSでの性能はSimCSEより上
    • Prediction lossがAlignmentに寄与︖ & 対照学習で得られるUniformityを損なう︖︖
    

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20. Analysis: 出⼒される類似度の分布
    2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 20
    DiffCSEの⽅が⾼い値に
    寄っている
    → [Meng+, 2021]らが⾔及
    しているTransformer系の
    表現空間の縮退の影響︖
    Representation Degeneration Problem?
    Anisotropy?
    [Meng+, 2021] COCO-LM: Correcting and Contrasting Text Sequences for Language Model Pretraining
    https://arxiv.org/pdf/2102.08473.pdf
    → uniformityの悪化︖
    

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21. • まとめ
    • 汎⽤⽂表現モデルとして，SimCSEより頑健な教師なし（⾃⼰教師あり）
    学習の枠組みとなるDiffCSEを提案
    • 元⽂に対しMLMによる置換で⽣成した擬似事例を考慮するlossを追加
    → STS, Transfer task (SentEval) での性能向上
    • DiffCSEはSimCSEよりAlignment（正例同⼠が近い）の観点で優れた表現
    が得られる
    • 個⼈的感想
    • 👍 CVで効果あり → NLPに適⽤してみる系の取り組み
    • 👍 分析が分厚い
    • hyperparameterの⽐較で幅を取っていると⾒れなくもない…︖
    • 🤔 Insensitive/Sensitiveな擬似事例の境界線
    • 現状は「分析により区別しないのが悪影響だとわかった」からsensitive扱い
    → 潜在的なsensitive事例はまだありそう
    • 🤔 Uniformity/Alignmentについての分析がもう少しできそう
    • 「Uniformityを損なっているのにSTS/Transfer task共に性能が良い」ことへの考察︖
    • [Gao+, 2021]もAppendixで「『”good uniformity” → transfer taskの性能向上』とは
    限らない」と⾔ってたり…
    まとめ & 感想
    2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 21
    

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22. Appendix
    2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 22
    

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23. •Unsupervised SimCSE (Gao+, 2021) の場合
    背景1: Data augmentationにより対照学習
    2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 23
    正例︓ 元⽂ 元⽂のembeddingをdropout
    負例︓ 元⽂ 同⼀バッチ中の他の例
    私は学⽣です。 私は学⽣です。
    近づける
    私は学⽣です。 りんごが5個ある。
    遠ざける
    上⼿い擬似事例
    の作り⽅が鍵
    •Supervised SimCSE の場合
    正例︓ NLIデータにおけるentailment（含意）ペア
    負例︓ 〃 contradict（⽭盾）ペア
    

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24. Ablation Study 2: MLMで置換 → 挿⼊/削除
    2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 24
    • STS : 置換が最も良い
    • Transfer : 削除が最も良いが，どの作成⽅法（置換/挿⼊/削除）
    でも全体的に同程度の性能（変化なし）
    

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25. Ablation Study 3: [MASK]する割合・lossの重みλ
    2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 25
    • [MASK]する割合は30%が最も良いが，⼤きな変化はない
    （個⼈的にはちょっと意外）
    • λの値は0.005が最も良い
    

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26. Ablation Study 3: BatchNorm
    2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 26
    • Batch Normalizationの効果が良い感じ
    

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27. Ablation Study 4: lossの形式
    2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 27
    • Contrastive lossなし（prediction lossのみ）︓STSの性能が顕著に低下
    • 「次⽂の予測」 loss︓性能低下
    • 別の条件付きLM（corrective language model）︓性能低下
    

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28. Uniformity & Alignment (Wang&Isola, 2020)
    2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 28
    図は(Wang&Isola, 2020)より引⽤
    Alignment: positive pairとされた例
    が適切に近く配置されているか
    Uniformity: 全体的なembeddingの
    分布がuniform（⼀様）になっているか
    

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29. Analysis: Semantic Retrieval
    2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 29
    DiffCSEは
    単語overlapが少ない
    but 似た意味の例を
    抽出できている
    

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30. Analysis: Semantic Retrieval
    2022/09/27 最先端NLP勉強会2022 30
    SimCSE, DiffCSE共に
    ⼆重否定には
    対応できていない
    

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