Ciencias de la Computación FAMAF

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====== Trabajo Práctico 1 - Modelado de Lenguaje ======

[[materias:pln:2017|(volver a la página principal)]]

En este trabajo práctico implementaremos varios modelos de lenguaje y
realizaremos algunos experimentos con ellos.

  * Repositorio: https://github.com/PLN-FaMAF/PLN-2017/tree/master/languagemodeling.
  * **Fecha de entrega:**
    * Ejercicios 1 al 5: 13/04 a las 23:59.
    * Ejercicios 6,7,8: 20/04 a las 23:59.


===== Instrucciones =====

El código base para el proyecto se encuentra en el [[https://github.com/PLN-FaMAF/PLN-2017/tree/master/languagemodeling|repositorio de la materia]].
La entrega del proyecto es a través de github. Por lo tanto, deben **hacer un "fork" del repositorio** dentro de sus cuentas de github.

Además del código fuente, **deben elaborar un README** con una breve explicación de lo que hicieron en cada ejercicio. El README puede estar en texto plano (txt), markdown (md) o restrucured text (rst), y debe estar incluído dentro de la carpeta ''languagemodeling''.

Criterios de Evaluación:

  * Estilo de codificación (chequeado con flake8 y a ojo).
  * Diseño del código: uso de clases, herencia, etc.
  * Uso y aprobación de tests (provistos y definidos por uds.).
  * Uso apropiado de git (commits granulares, logs informativos).
  * Resultados.
  * README.

===== Ejercicio 1: Corpus =====

  * Elegir corpus de texto en lenguaje natural de más de 5Mb de tamaño.
  * Cargar el corpus usando un "corpus reader" de NLTK (e.g. ''PlaintextCorpusReader'') o definiendo uno propio.
    * El "corpus reader" debe proveer un método ''sents'' que permita iterar sobre las oraciones tokenizadas del corpus.
  * Revisar a ojo la correcta tokenización y segmentado en oraciones. De ser necesario, probar otras formas de tokenización/segmentado.
  * Modificar el script ''train.py'' para utilizar nuestro corpus.

Documentación:
  * http://www.nltk.org/howto/corpus.html
  * http://www.nltk.org/book/ch03.html#regular-expressions-for-tokenizing-text
  * http://www.nltk.org/_modules/nltk/tokenize/punkt.html
  * Ejemplo dado en clase de cómo tokenizar con expresiones regulares: http://nbviewer.ipython.org/url/cs.famaf.unc.edu.ar/~francolq/Tokenizaci%C3%B3n%20con%20NLTK.ipynb
  * [[https://docs.python.org/3/howto/regex.html|Python 3: Regular Expression HOWTO]]


===== Ejercicio 2: Modelo de n-gramas =====

Implementar un modelo de n-gramas con marcadores de comienzo y fin de oración
(''<s>'' y ''</s>'').

Interfaz de la clase ''NGram'' (en ''ngram.py''):

<code python>
class NGram:

    def __init__(self, n, sents):
        """
        n -- order of the model.
        sents -- list of sentences, each one being a list of tokens.
        """

    def count(self, tokens):
        """Count for an n-gram or (n-1)-gram.

        tokens -- the n-gram or (n-1)-gram tuple.
        """

    def cond_prob(self, token, prev_tokens=None):
        """Conditional probability of a token.

        token -- the token.
        prev_tokens -- the previous n-1 tokens (optional only if n = 1).
        """

    def sent_prob(self, sent):
        """Probability of a sentence. Warning: subject to underflow problems.

        sent -- the sentence as a list of tokens.
        """

    def sent_log_prob(self, sent):
        """Log-probability of a sentence.

        sent -- the sentence as a list of tokens.
        """
</code>

Tests:

  $ nosetests languagemodeling/tests/test_ngram.py 


===== Ejercicio 3: Generación de Texto =====

  * Implementar en ''ngram.py'' una clase ''NGramGenerator'' para generar oraciones de lenguaje natural.
  * Programar un script ''generate.py'' para cargar un modelo de n-gramas y generar oraciones con él.
  * Generar oraciones usando n-gramas con n en {1, 2, 3, 4}. Armar una figura similar a la Figura 4.3 de Jurafsky & Martin (2008). Incluirla en el README.

Funciones a implementar en ''ngram.py'':

<code python>
class NGramGenerator:

    def __init__(self, model):
        """
        model -- n-gram model.
        """

    def generate_sent(self):
        """Randomly generate a sentence."""

    def generate_token(self, prev_tokens=None):
        """Randomly generate a token, given prev_tokens.

        prev_tokens -- the previous n-1 tokens (optional only if n = 1).
        """
</code>

Interfaz de ''generate.py'':

<code>
$ python languagemodeling/scripts/generate.py  --help
Generate natural language sentences using a language model.

Usage:
  generate.py -i <file> -n <n>
  generate.py -h | --help

Options:
  -i <file>     Language model file.
  -n <n>        Number of sentences to generate.
  -h --help     Show this screen.
</code>

Tests:

  $ nosetests languagemodeling/tests/test_ngram_generator.py 

Documentación:

  * https://en.wikipedia.org/wiki/Inverse_transform_sampling


===== Ejercicio 4: Suavizado "add-one" =====

  * Implementar el suavizado "add-one" en ''ngram.py'' en una clase ''AddOneNGram''.
  * La clase debe tener **la misma interfaz que ''NGram''** más el método ''V'' especificado abajo.
  * Calcular V como el tamaño del alfabeto incluyendo el marcador ''</s>''.
  * Agregar al script de entrenamiento (train.py) una opción de línea de comandos que permita utilizar add-one en lugar de n-gramas clásicos.
  * Entrenar sobre nuestro corpus y guardar los modelos resultantes para varios valores de n (1, 2, 3 y 4).

Interfaz de la clase ''AddOneNGram'' (en ''ngram.py''):

<code python>
class AddOneNGram:

    """
       Todos los métodos de NGram.
    """

    def V(self):
        """Size of the vocabulary.
        """
</code>

Nueva interfaz de ''train.py'':

<code>
$ python languagemodeling/scripts/train.py  --help
Train an n-gram model.

Usage:
  train.py -n <n> [-m <model>] -o <file>
  train.py -h | --help

Options:
  -n <n>        Order of the model.
  -m <model>    Model to use [default: ngram]:
                  ngram: Unsmoothed n-grams.
                  addone: N-grams with add-one smoothing.
  -o <file>     Output model file.
  -h --help     Show this screen.
</code>

Tests:

  $ nosetests languagemodeling/tests/test_addone_ngram.py 


===== Ejercicio 5: Evaluación de Modelos de Lenguaje =====

  * Separar el corpus en entrenamiento y test (90% y 10% resp.).
  * Implementar el cálculo de log-probability, cross-entropy y perplejidad.
  * Programar un script ''eval.py'' para cargar un modelo de lenguajes y evaluarlo sobre el conjunto de test.
  * Calcular perplejidad de los modelos entrenados en el ejercicio anterior. Reportar los resultados en el README.

Interfaz de ''eval.py'':

<code>
$ python languagemodeling/scripts/eval.py  --help
Evaulate a language model using the test set.

Usage:
  eval.py -i <file>
  eval.py -h | --help

Options:
  -i <file>     Language model file.
  -h --help     Show this screen.
</code>


===== Ejercicio 6: Suavizado por Interpolación =====

  * Implementar el suavizado por interpolación en ''ngram.py'' en una clase ''InterpolatedNGram''.
  * Calcular lambdas en términos de un único parámetro gamma (ver documentación abajo).
  * Usar add-one para el nivel más bajo (unigramas).
  * Usar datos held-out (un 10% de train) y barrido para elegir valor para gamma.
  * Agregar al script de entrenamiento (train.py) una opción de línea de comandos que permita utilizar este modelo.
  * Calcular y reportar perplejidad para varios valores de ''n'' (1, 2, 3 y 4). Reportar los resultados en el README.

Interfaz de la clase ''InterpolatedNGram'' (en ''ngram.py''):

<code python>
class InterpolatedNGram:

    def __init__(self, n, sents, gamma=None, addone=True):
        """
        n -- order of the model.
        sents -- list of sentences, each one being a list of tokens.
        gamma -- interpolation hyper-parameter (if not given, estimate using
            held-out data).
        addone -- whether to use addone smoothing (default: True).
        """

    """
       Todos los métodos de NGram.
    """
</code>

Tests:

  $ nosetests languagemodeling/tests/test_interpolated_ngram.py

Documentación:

  * [[http://www.cs.columbia.edu/~mcollins/lm-spring2013.pdf|Language Modeling
(Course notes for NLP by Michael Collins, Columbia University)]]
  * [[https://cs.famaf.unc.edu.ar/~francolq/lm-notas.pdf|Modelado de Lenguaje: Notas Complementarias]]
  * [[https://www.youtube.com/watch?v=-aMYz1tMfPg&list=PL6397E4B26D00A269&index=17|4 - 6 - Interpolation - Stanford NLP - Professor Dan Jurafsky & Chris Manning]]


===== Ejercicio 7: Suavizado por Back-Off con Discounting =====

  * Implementar el suavizado por back-off con discounting en ''ngram.py'' en una clase ''BackOffNGram''.
  * Usar add-one para el nivel más bajo (unigramas).
  * Usar datos held-out (un 10% de train) y barrido para elegir valor para beta.
  * Agregar al script de entrenamiento (train.py) una opción de línea de comandos que permita utilizar este modelo.
  * Calcular y reportar perplejidad para varios valores de ''n'' (1, 2, 3 y 4). Reportar los resultados en el README.

Interfaz de la clase ''BackOffNGram'' (en ''ngram.py''):

<code python>
class BackOffNGram:

    def __init__(self, n, sents, beta=None, addone=True):
        """
        Back-off NGram model with discounting as described by Michael Collins.

        n -- order of the model.
        sents -- list of sentences, each one being a list of tokens.
        beta -- discounting hyper-parameter (if not given, estimate using
            held-out data).
        addone -- whether to use addone smoothing (default: True).
        """

    """
       Todos los métodos de NGram.
    """

    def A(self, tokens):
        """Set of words with counts > 0 for a k-gram with 0 < k < n.

        tokens -- the k-gram tuple.
        """

    def alpha(self, tokens):
        """Missing probability mass for a k-gram with 0 < k < n.

        tokens -- the k-gram tuple.
        """

    def denom(self, tokens):
        """Normalization factor for a k-gram with 0 < k < n.

        tokens -- the k-gram tuple.
        """
</code>

Tests:

  $ nosetests languagemodeling/tests/test_backoff_ngram.py 

Documentación:

  * [[http://www.cs.columbia.edu/~mcollins/lm-spring2013.pdf|Language Modeling
(Course notes for NLP by Michael Collins, Columbia University)]]
  * [[https://cs.famaf.unc.edu.ar/~francolq/lm-notas.pdf|Modelado de Lenguaje: Notas Complementarias]]
  * [[https://www.youtube.com/watch?v=hsHw9F3UuAQ&index=3&list=PLO9y7hOkmmSHE2v_oEUjULGg20gyb-v1u|Discounting Methods - Part I]] (Michael Collins, Columbia University)
  * [[https://www.youtube.com/watch?v=FedWcgXcp8w&index=4&list=PLO9y7hOkmmSHE2v_oEUjULGg20gyb-v1u|Discounting Methods - Part II]] (Michael Collins, Columbia University)


===== Ejercicio 8 (punto bonus): Reordenamiento de Palabras ó Atribución de Autoría =====

  * Elegir y resolver uno de los dos ejercicios siguientes de Jurafsky & Martin (2008):
    * Ejercicio 4.9: Reordenamiento de palabras.
    * Ejercicio 4.10: Atribución de autoría ([[https://en.wikipedia.org/wiki/Stylometry|Stylometry]]).

  * Sobre el ejercicio 4.9:
    * Implementar una clase que, dada una lista de palabras desordenadas de una oración, devuelva el ordenamiento más probable de acuerdo a un modelo de lenguaje.
    * Implementar un script que tome el conjunto de test y para cada oración, la desordene y la vuelva a ordenar usando un modelo de lenguaje dado como parámetro.
    * Usar las métricas BLEU y distancia de edición para evaluar la calidad de los reordenamientos (respecto de las oraciones originales). En NLTK:
      * ''nltk.metrics.distance.edit_distance''
      * ''nltk.align.bleu_score.bleu''

  * Sobre el ejercicio 4.10:
    * Se requiere tener documentos de dos o más clases diferentes. Por ejemplo, escritos de dos autores diferentes.
    * Definir conjuntos de entrenamiento y test para cada clase (90% y 10% resp.).
    * Entrenar un modelo de lenguaje para cada clase, siguiendo las indicaciones del libro.
    * Implementar un script que tome los conjuntos de test y adivine a qué clase corresponde cada uno.