论文赏析[EMNLP19]用控制任务来设计并解释探测任务

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论文赏析[EMNLP19]Designing and Interpreting Probes with Control Tasks

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Designing and Interpreting Probes with Control Tasks

介绍

NLP任务都存在着一个常见的问题：我的神经网络有没有学到某个性质 ？ 所以我们需要构造出一种方法，来告诉我们模型是否真的学到了某些性质。

例如对于ELMo，我们想知道它是否学到了POS tag信息，所以我们需要设计一种探测任务（probe task）。

如上图所示，我们将句子输入到ELMo中，得到每个单词的上下文表示。 然后用probe函数（一般是MLP或者linear）进行分类，得到每个单词的POS tag。

注意到这里的ELMo是不进行fine-tune的，也就是固定住不变的，模型参数只有probe参数。

但是我们能否说，POS tag效果好，那么ELMo学的就好呢？ 其实是不行的，因为有三点因素可能影响到最终的tag准确率：

• ELMo真的学到了POS tag信息。
• probe函数设计的比较复杂，可以很好的拟合出POS tag分布。
• POS tag任务的监督信息加的比较多。

所以本文主要研究了如下三个问题：

• 高的探测准确率是否意味着表示真的学到了某种性质？
• 探测方法对结果有着什么样的影响？
• 上面提到的三点影响因素对探测结论是否有影响？

下面我们一一关注这三个问题。

问题1

首先答案是否定的，探测任务上准确率越高，并不能代表着表示学到了你想要的性质。

还是用ELMo和POS tag举例子，上面这个模型用1000隐层维度的MLP作为probe函数，最终取得了97.3的高准确率。 但是我们不能说EMLo能够很好的学到了POS tag信息，因为可能是MLP很好的拟合出了POS tag分布。

所以我们提出了控制任务（control task）的概念，也就是用同样的模型去预测一个随机任务。 例如对于POS tag任务，PTB数据集里一共有45个tag，我们给每个单词重新随机分配一个tag，然后用探测模型预测句子的随机tag。 这样其实有个小问题，就是消除了单词的一词多义问题，一个单词在所有语境下tag都是一样的了。

测试下来结果如上图所示。 可以看到MLP和linear对POS tag结果基本没有影响，都非常的高。 但是对control任务也就是随机tag影响很大，MLP并没有降低很多（92.8），但是linear降低了很多（71.2）。 于是我们将这个差值叫做selectivity。如果selectivity越大，说明probe函数影响越小，可能不是probe函数拟合出来的结果。 如果selectivity越小，说明不管是gold的label还是随机的label，准确率都很高，这就可能是probe函数拟合出来的结果了，而不是表示学出来的。

问题2

显然linear的学习能力明显不如MLP，那么不同的参数设置对最终结果是否有影响呢？

上图举了两个例子，分别是dropout和隐层维度对结果的影响。 可以看出简单的正则化对selectivity影响不是很大，但是隐层维度影响特别大。

具体的参数影响如上图所示，最终选取了使得准确率比较高，selectivity相对大的参数配置。

问题3

答案也是肯定的。

比如上面这个例子，一般认为ELMo第1层POS tag效果是要好于第2层的，probe测试下来也是这样。 但是可以发现，第2层的selectivity更大，说明其实第2层才更好的学到了POS tag信息。 那为什么第1层效果更好呢？可能是因为它更靠近单词层，所以保留了更多单词的信息。 这也说明了selectivity方法可能也不是完美的，可能通过聚类预测POS tag，第2层效果会更好。

结论

具体的实验细节和分析就不说了，大体就是这么个思想。 这篇主要就是说明了，光靠准确率并不能说明一个encoder的表示学到了某种性质，而可能是模型拟合的结果。 所以他们提出了control task，同时预测一个随机输出，如果准确率差距较大，则验证了表示学到了性质。 当然这个方法还有一些问题，比如probe函数的挑选，还有文中依存句法分析的control task的设计是有瑕疵的。