Recurrent neural models and related problems in natural language processing

Le réseau de neurones récurrent (RNN) est l’un des plus puissants modèles d’apprentissage automatique spécialis és dans la capture des variations temporelles et des dépendances de données séquentielles. Grâce à la résurgence de l’apprentissage en profondeur au cours de la dernière d écennie, de nombreuses structures RNN innovantes ont été invent ́ees et appliquées à divers problèmes pratiques, en particulier dans le domaine du traitement automatique du langage naturel (TALN). Cette thèse suit une direction similaire, dans laquelle nous proposons de nouvelles perspectives sur les propriétés structurelles des RNN et sur la manière dont les modèles RNN récemment proposés peuvent stimuler le developpement de nouveaux problèmes ouverts en TALN.    Cette thèse se compose de deux parties: l’analyse de modèle et le traitement de nouveaux problèmes ouverts. Dans la première partie, nous explorons deux aspects importants des RNN: l’architecture de leurs connexions et les opérations de base dans leurs fonctions de transition. Plus précisément, dans le premier article, nous définissons plusieurs mesures rigoureuses pour évaluer la complexité architecturale de toute architecture récurrente donnée, quelle que soit la topologie du réseau. Des expériences approfondies sur ces mesures démontrent à la fois la validité théorique de celles-ci, et l’importance de guider la conception des architectures RNN. Dans le deuxième article, nous proposons un nouveau module permettant de combiner plusieurs flux d’informations de manière multiplicative dans les fonctions de tran- sition de base des RNN. Il a été démontré empiriquement que les RNN équipés du nouveau module possédaient de meilleures propriétés de gradient et des capacités de généralisation plus grandes sans coûts de calcul et de mémoire supplémentaires.    La deuxième partie se concentre sur deux problèmes non résolus de la TALN: comment effectuer un raisonnement avancé à sauts multiples en compréhension de texte machine, et comment incorporer des traits de personnalité dans des systèmes conversationnels. Nous recueillons deux ensembles de données à grande échelle, dans le but de motiver les progrès méthodologiques sur ces deux problèmes. Spécifiquement, dans le troisième article, nous introduisons l'ensemble de données HotpotQA qui contient plus de 113000 paires question-réponse basées sur Wikipedia. La plupart des questions de HotpotQA ne peuvent résolues que par un raisonnement multi-saut précis sur plusieurs documents. Les faits à l'appui néces- saires au raisonnement sont également fournis pour aider le modèle à établir des prédictions explicables. Le quatrième article aborde le problème du manque de personnalité des chatbots. Le jeu de données persona-chat que nous proposons encourage des conversations plus engageantes et cohérentes en conditionnant la personnalité des membres en conversation sur des personnages spécifiques. Nous montrons des modèles de base entraînés sur persona-chat sont capables déxprimer des personnalités cohérentes et de réagir de manière plus captivante en se concentrant sur leurs propres personnages ainsi que ceux de leurs interlocuteurs. The recurrent neural network (RNN) is one of the most powerful machine learning models specialized in capturing temporal variations and dependencies of sequential data. Thanks to the resurgence of deep learning during the past decade, we have witnessed plenty of novel RNN structures being invented and applied to various practical problems especially in the field of natural language processing (NLP). This thesis follows a similar direction, in which we offer new insights about RNNs’ structural properties and how the recently proposed RNN models may stimulate the formation of new open problems in NLP. The scope of this thesis is divided into two parts: model analysis and new open problems. In the first part, we explore two important aspects of RNNs: their connecting architectures and basic operations in their transition functions. Specifically, in the first article, we define several rigorous measurements for evaluating the architectural complexity of any given recurrent architecture with arbitrary network topology. Thoroughgoing experiments on these measurements demonstrate their theoretical validity and utility of guiding the RNN architecture design. In the second article, we propose a novel module to combine different information flows multiplicatively in RNNs’ basic transition functions. RNNs equipped with the new module are empirically showed to have better gradient properties and stronger generalization capacities without extra computational and memory cost. The second part focuses on two open problems in NLP: how to perform advanced multi-hop reasoning in machine reading comprehension and how to encode personalities into chitchat dialogue systems. We collect two different large scale datasets aiming to motivate the methodological progress on these two problems. Particularly, in the third article we introduce HotpotQA dataset containing over 113k Wikipedia based question-answer pairs. Most of the questions in HotpotQA are answerable only through accurate multi-hop reasoning over multiple documents. Supporting facts required for reasoning are also provided to help the model to make explainable predictions. The fourth article tackles the problem of the lack of personality in chatbots. The proposed persona-chat dataset encourages more engaging and consistent conversations by forcing dialog partners conditioning on given personas. We show that baseline models trained on persona-chat are able to express consistent personalities and to respond in more captivating ways by concentrating on personas of both themselves and other interlocutors.

Keyphrases: réseaux de neurones récurrents, apprentissage profond, traitement automatique du langage naturel, compréhension en lecture, système de dialogue, recurrent neural networks, deep learning, natural language processing, reading comprehension, dialogue system