深層学習による自然言語処理

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1. 深 層 学 習 に よ る ⾃ 然 ⾔ 語 処 理 株式会社電通国際情報サービス ファイサル・ハディプトラ 2021/09/29
2. ⾃⼰紹介 所属 電通国際情報サービス クロスイノベーション本部 AIトランスフォーメーションセンター（AITC） 製品開発グループ 業務 ⾃然⾔語処理の研究開発、⾃社のAIソフトウェアの開発、ソフトウェア アーキテクチャー設計、情報検索ソリューションの開発、 Pytorch/Tensorflowで深層学習モデル構築。 その他 クラウド技術（Azure、AWS）、コンテナー技術（Docker, Kubernetes）、 Javascript（Vue.js, React） ファイサル ハディプトラ (FAISAL HADIPUTRA) @faisal_putra 2
3. アジェンダ 1. はじめに • 自然言語処理の概要 • 自然言語処理の難しさ • 最新のトレンド 2. ⾃然⾔語処理におけるアプローチ 3. 深層学習による⾃然⾔語処理 4. TexAIntelligence 5. まとめ
4. はじめに
5. ⾃然⾔語処理（Natural Language Processing） 8|⽉|24|⽇|に|開幕|する|東京|パラリンピック|は|、無|観客|で|の|開催|と|なる|。 ⾃然⾔語（⽇本語、英語など）をコンピュータに処理・理解させる技術。 基礎解析 [⽇付表現] [----イベント名-----] 機械翻訳 情報検索 対話システム ・・・ 応⽤ 5
6. • 違う表現で、同じ意味（＝同義）が表されることがある • 東京⼤学 ＝ 東⼤、購⼊ ＝ 買う、渡⽶ = アメリカに⾏く • 同じ表現が、違う意味（＝多義）を表すこともある • マック: マックドナルド or マッキントッシュ • かける: （橋を）かける or （ソースを）かける ... • 階層的な系列をどう扱うか、考える必要がある • ⽂字 → 単語 → ⽂ → ⽂章 • そもそも計算機が⾔語を理解することはどういうことなのか︖ ⾃然⾔語処理の難しさ 6
7. ⾃然⾔語処理の進化 現在、Deep Learning（深層学習）が前提となっている。 https://mobilus.co.jp/lab/chat-support/nlp/ 7
8. GLUE（⾔語理解タスク）[Wang+ 18] モデルの性能を計るため、英語の⾔語理解タスクのデータセットが⽤意されている。 8 https://gluebenchmark.com/leaderboard
9. GLUE（⾔語理解タスク）[Wang+ 18] ポジネガ判定 [positive] itʼs charming and often affecting journey. [negative] a sometimes tedious film. 2⽂が同じ意味かどうか [同じ] The bird is bathing in the sink. Birdie is washing itself in the water basin. [異なる] The black dog is running through the snow. A race car driver is driving his car through the mud. https://gluebenchmark.com/leaderboard モデルの性能を計るため、英語の⾔語理解タスクのデータセットが⽤意されている。 9
10. • ⽇本語は、GLUEのようなベンチマークが存在しないが、2020年には、AI王と いう質問応答コンペが開催された。 • URL: https://www.nlp.ecei.tohoku.ac.jp/projects/aio/ AI王 〜クイズAI⽇本⼀決定戦〜（1/2） 質問例 選択肢/ 回答例 童謡『たなばた さま』の歌詞で，「さ らさら」と歌われる 植物は何の葉? 1:"サ サ", 2:"チシマザサ", 3:"クマザサ", 4:"ア ダ ン", 5:"チ ガ ヤ", ... 20:"オオウバユリ" 10
11. AI王 〜クイズAI⽇本⼀決定戦〜 (2/2) https://www.nlp.ecei.tohoku.ac.jp/projects/AIP- LB/task/aio AI王に参加したメンバーのリーダーボード。 11
12. ⾃然⾔語処理 におけるアプローチ 1. ルールベースの⾃然⾔語処理 2. 古典的機械学習による⾃然⾔語処理 3. 深層学習による⾃然⾔語処理
13. • パターン照合や構⽂解析によって欲しい 情報を抽出。 • 代表的⼿法 • 正規表現 • ⽂脈⾃由⽂法（Context-free Grammar） • 利点 • 場合によって特定のユースケースで精度が⾼い • 適合率が⾼い • 学習データが不要 • 説明性が⾼い • ⽋点 • ルール数が多ければ多いほど、計算コストが⾼くなる • 再現率が低い • ルールを作成するに⼿間がかかる ルールベースの⾃然⾔語処理 [start] => [users] $1 [users] => my friend friends(me) [users] => friends of [users] friends($1) [users] => {user} $1 [start] => [photos] $1 [photos] => photos of [users] photos($1) https://engineering.fb.com/2013/04/29/web/under-the-hood-the- natural-language-interface-of-graph-search/ 2013年にFacebookグラフ検索で使った⽂脈⾃由⽂法 ⼊⼒ 出⼒ 基礎解析 タスク特有 ルール ＋ 13
14. • 基本的な流れ • 最初に、⽣⽂章に対して基礎解析（形態素解析、構 ⽂解析、意味解析）を事前に⾏う • 基礎解析の結果から特徴ベクトルを作成 • 古典的機械学習アルゴリズム（SVM、NaiveBayes 、RandomForestなど）を⽤いて、モデル学習 • 利点 • 推論時、計算コストは学習データ数に依存しない（ スケーラブル） • データから学習できる • データがあれば、開発速度が速い • ルールベースと⽐べて再現率が⾼い • ある程度まで説明できる • ⽋点 • 学習データが必要 • デバッグが難しい • 特徴量抽出を考える必要がある 古典的機械学習による⾃然⾔語処理 ⼊⼒ 特徴 出⼒ 特徴抽出 （基礎解析） モデル 学習 特徴量抽出のために基礎解析を⾏う 14
15. • 古典的機械学習と異なる部分 • 特徴量ベクトルも学習される（表現学習） • 基礎解析は不要（トークナイザーだけ） • 利点 • スケーラブル • データから学習できる • データがあれば開発速度が速い • 古典的機械学習に⽐べて、精度が⾼い • 特徴量抽出が不要 • ⽋点 • デバッグが難しい • ⼤規模な学習データが必要 • 説明性が低い 深層学習による⾃然⾔語処理 ⼊⼒ 出⼒ 表現学習 モデル 学習 ＋ https://mobilus.co.jp/lab/chat-support/nlp/ ⾃然⾔語処理における深層学習モデル 15
16. 深層学習による ⾃然⾔語処理 1. 単語のベクトル表現 2. ⾔語モデル 3. Encoder-decoderモデル 4. BERT（事前学習・ファインチューニング） 5. GPT-3（Few shot learning）
17. 単語ベクトル表現
18. • 分布仮説 [Firth+ 1957] • 単語の意味はその単語の⽂脈によって特徴つけられる • ＝似た⽂脈で出現する単語は意味が似ている • 共起に基づくベクトル表現 [Lin 2002] 古典的な単語表現についてのアイデア 昨⽇、りんごを⾷べた。 りんごジュースを飲んだ。 りんごの⽪を剥いた 昨⽇、オレンジを⾷べた。 オレンジジュースを買った。 オレンジの⽪を剥いた 昨⽇、⾞に乗った。 ⾞のタイヤを交換した。 ⾞を買った。 りんご オレンジ ⾞ （0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 … … … …） （0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 … … … …） （0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 … … … …） ⾷べる ジュース タイヤ 似ている 似ていない 「りんご」と 「⾷べる」が テキスト中のある⽂ で共起 数万〜数⼗万次元の疎なベクトル 18
19. • ニューラルネットワークで対象の単語 から周囲単語（⽂脈語）を予測するタ スク • 低次元（例えば300次元）で、要素は 実数値 • word embeddingまたは分散表現と呼 ばれる • 特徴 • 単語の「意味」をベクトル表現で学習できる • 単純な⼿法で⼤規模な⽂書（コーパス）でも少ない 時間で学習が可能 • 同義語が定量的に表現できる • 多義語が同じベクトルで表現されてしまう → これ は、次に説明する⾔語モデルで解決できる。 ニューラルネットワークを使った単語表現 りんご オレンジ ⾞ （0.82 -1.18 0.74 …） （0.86 -1.23 0.54 …） （0.15 1.18 -0.34 …） 似ている 似ていない 数百次元の密なベクトル 昨⽇ は ⾷べた 0.82 1.21 … -1.51 0 1 0 0 0 0 … 0 0 1 … 0 0 1 … 0 を 0 1 … 0 0 1 … 0 word2vec [Mikolov+ 13] 19
20. ⾔語モデル
21. • ある⽂が出現する確率を表現したもの • P（”佐藤さんはご飯を⾷べた”）＞P（”ご飯は佐藤さんを⾷べた”） • P（”佐藤さんはご飯を⾷べた”）＞P（”佐藤さんはご飯を飲んだ”） • 確率の連鎖律 → 次の単語を予測するタスク • P（“佐藤さんはご飯を⾷べた”）＝ P(”⾷べた”|”佐藤さんはご飯を”)・P(“を”|”佐藤さんはご飯”) ・P(“ご飯”|”佐藤さんは”) ・P(“は”|”佐藤さん”) ・P(”佐藤さん”) • 確率の推定⽅法 • 古典的な⼿法だと、頻度ベースのn-gramなどが使⽤されたが、最近ニューラルネットワークが使⽤されている。 • 応⽤例 • 検索エンジン（クエリの⾃動補完） • ⽂の⾃動⽣成 • 機械翻訳 21 ⾔語モデル（Language Model）とは︖
22. • RNN（Recurent Neural Network）再起的ニューラルネットワーク。 • 次の単語を予測するタスク（Next Word Prediction） • 次々と単語を予測していくことで、最終的に⽂を⽣成する 22 RNN⾔語モデル 私 は 学⽣ は 学⽣ です 「私 は」の ベクトル U U U W W W 0.1 ... 0.2 ... P(学⽣|私, は) ⼤規模なラベルなし テキストから学習
23. • ⾔語モデルタスクを学習することで、⽂脈付き単語ベクトル及び⽂書ベクトルを習得させる • ⽂脈付きベクトルを習得することで、多義語の問題を解決できる。 23 RNN⾔語モデル: ⽂脈付き単語ベクトル 私 は 学⽣ W W W です <EOS> W ⽂脈付き「学⽣」のベクトル 「私は学⽣です」の⽂書ベクトル 「今⽇のお昼ご飯はマックのフライポテトです。」 「WWDC 2020で発表された新しいマックを買いました。」 「マック」 の ⽂脈付きベクトルが異なる
24. • ⽂脈を拡張するという意味で、後⽅向⾔語モデルを採⽤する。 • 前⽅向⾔語モデル + 後⽅向⾔語モデル = 双⽅向⾔語モデル 24 RNN⾔語モデル: 前⽅向⾔語モデル、後⽅向⾔語モデル 私 は 学⽣ は 学⽣ です U U U W W W は 学⽣ です 私 は 学⽣ U U U W W ⽂脈付き「学⽣」のベクトル 後⽅向⾔語モデル 前⽅向⾔語モデル W
25. Encoder-Decoder モデル
26. • 機械翻訳タスクから⽣まれたモデル • 基本的な流れ • Encoderは⼊⼒⽂を⽂書ベクトルに変換し、 Decoderに渡す。 • Decoderは⽂書ベクトルを元に、１単語ずつ⽂書を ⽣成する。 • 最初はRNN⾔語モデルが使われた • Encoder = 双⽅向⾔語モデル • Decoder = 前⽅向⾔語モデル • 最近は、RNNの代わりにTransformers が採⽤される。 Encoder-Decoderモデルの概要 私は学⽣です。 I am a student. エンコーダー (Encoder) デコーダー (Decoder) ⽂書ベクトル 両⽅とも⾔語モデル 26
27. 27 Encoder-Decoderモデルのイメージ https://jalammar.github.io/illustrated-transformer/ Encoding Step Decoding Step
28. • Transformersでは、RNNの代わりに Multi-headed Self-attentionを使⽤す る • “Attention is all you need”というタイ トルで有名 • 特徴 • RNN系とは違い、並列処理が可能になる • Attention機構は、単語の順番を無視しているので、 距離の遠い単語でも考慮できる • パラメータ数が多く、計算コストが⾼い 28 Transformer 私は学⽣です。 I am a student. エンコーダー (Encoder) Multi-headed Self- attention デコーダー (Decoder) Multi-headed Self- attention ⽂書ベクトル https://papers.nips.cc/paper/2017/file/3f5ee243547dee91fbd053c1c4a845aa-Paper.pdf
29. I Attention機構は、動的にDecoderが単語を出⼒するときに⼊⼒⽂の中でどの単 語ベクトルを重視するかを学習する。 29 Attention機構 私 は 学⽣ です <EOS> <START> I am a student エンコーダー (Encoder) デコーダー (Decoder) am ⼊⼒⽂の単語ベクトル
30. 単語の⽂脈付きベクトルを計算するときに、⼊⼒⽂の中でどれを重視しているか を学習する。双⽅向⾔語モデルと捉えることもできる。 30 Self-Attention 私 は 学⽣ です エンコーダー (Encoder) ⼊⼒⽂の単語のベクトル
31. 複数のSelf-Attention機構を組み合わせる。 これによって、様々な観点で⽂脈付きベクトルが学習される。 31 Multi-headed Self-Attention 私 は 学⽣ です エンコーダー (Encoder) ⼊⼒⽂の単語のベクトル
32. BERT
33. • TransformersのEncoderを複数組み ⽴てる • 基本的な流れ • Encoderは⽂書ベクトルを抽出する • ⽂書ベクトルを⽤いてタスク特有モデルが学習す る • 転移学習を有効にする • Wikipediaで⾃⼰教師あり学習 • 特定なタスクでファインチューニング BERT 素晴らしい映画 だった。 positive 複数のエンコーダー (MultipleEncoder) タスク特有の モデル 線形モデルなど ⽂書ベクトル 33
34. 1. Wikipediaで⾃⼰教師あり学習（Next Sentence Prediction, Masked⾔語モデル） 2. Encoderの部分のみ再利⽤して、特定のタスクでファインチューニングする BERTの転移学習 （事前学習＋ファインチューニング） 複数のエンコーダー (MultipleEncoder) MLM分類器 NSP分類器 複数のエンコーダー (MultipleEncoder) 分類器 ⾃⼰教師あり学習 （事前学習） ファインチューニング Wikipediaデータ 対象データ Encoderのみ 再利⽤ 34
35. GPT-3
36. • GPT（Generative Pre-Training） • TransformersのDecoderのみを複数組 み⽴てる。ハイパーパラメーターを⼤ きくする。 • 極端に⼤規模な⾔語モデル • GPT-1: 1.3Bパラメーター • GPT-2: 13B パラメーター • GPT-3: 175B パラメーター GPT-3 デコーダー (Decoder) Multi-headed Self-attention I am a am a student 36
37. GPT-3: Few Shot Learningの有効性 • モデル重みを更新せず、少数の例をあげるだけで回答が返ってくる。 37
38. 38 ⾃然⾔語処理において深層学習が変えたこと • 単語の意味を定量的に表現できる（分散表現） • ⾔語モデルにより、系列の扱いは良くなった • 単語ベクトル表現 → ⽂書ベクトル表現 • End-to-endの学習 • ⼊⼒と出⼒例だけを⽤意して、直接モデルに学習させる • システムをモジュールに分割する必要がなくなる • 転移学習（事前学習 + ファインチューニング）は主な⼿段になった • 事前学習モデルやライブラリの整備は進んだ • ⽇本語のBERTモデルの公開（NICT、京都⼤学、東北⼤学） • ユーザーが各コードがかなり少なくなった • BERTで基本的なタスクを解く場合、コマンドを動かすだけで実⾏できる • 代表ライブラリ: HuggingfaceのTransformers
39. TexAIntelligence
40. ⽂書活⽤AIソリューション: TexAIntelligence ⽂章⾃動分類 （教師あり分類） 意味的類似検索 ⽂章要約 （教師なし分類×要約） https://isid-ai.jp/products/texa.html • 深層学習による⾃然⾔語処理を利⽤したサー ビスを開発している。 • BERT、GPT等の深層学習モデルは巨⼤で、 実際に運⽤するのは⼤変という課題があった。 • BERTの軽量版であるISID-BERTを開発した。 • ISID-BERTの特徴 • 標準のBERTに⽐べて、2倍ほど⻑い⽂章が扱 える。 • 標準のBERTに⽐べて、モデルサイズが10分 の1圧縮されている。 • トークナイザーで使っている辞書は⽐較的新 しい。 40
41. 41 ニュース分類タスクにより性能評価 ※記事タイトルを使⽤しない モデル accuracy 学習時間 (1枚K80) 推論時間 (1500件) alinear-corp/albert-japanese 89.27% 57分 3分50秒 yoheikikuta/bert-japanese 94.16% 1時間20分 4分10秒 cl-tohoku/bert-base-japanese-whole- word-masking 93.21% 1時間20分 4分15秒 albert-sudachi（ISIDオリジナル） 94.30% 1時間5分 4分3秒 ISID-BERT • ⽇本語で有名なLivedoorニュースの分類タスクに適⽤ した結果
42. まとめ
43. • ⾃然⾔語処理におけるアプローチ • ルールーベース、古典的機械学習、深層学習 • 深層学習による⾃然⾔語処理 • Word2vec、Transformer、BERT、GPT-3 • ISID-BERTの紹介 • ISID-BERTではBERT軽量版（ALBERT）を使⽤。 • 精度を⾼めるために、ALBERTモデルを改良。 • TexAIntelligenceの検索機能で教師なしのアプローチを有効化するためにさらに改良。 まとめ 43
44. CONFIDENTIAL