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Theses Year : 2022

From Text to Trust : A Priori Interpretability Versus Post Hoc Explainability in Natural Language Processing

Interprétabilité a priori et explicabilité a posteriori dans le traitement automatique des langues

Abstract

With the advent of Transformer architectures in Natural Language Processing a few years ago, we have observed unprecedented progress in various text classification or generation tasks. However, the explosion in the number of parameters, and the complexity of these state-of-the-art blackbox models, is making ever more apparent the now urgent need for transparency in machine learning approaches. The ability to explain, interpret, and understand algorithmic decisions will become paramount as computer models start becoming more and more present in our everyday lives. Using eXplainable AI (XAI) methods, we can for example diagnose dataset biases, spurious correlations which can ultimately taint the training process of models, leading them to learn undesirable shortcuts, which could lead to unfair, incomprehensible, or even risky algorithmic decisions. These failure modes of AI, may ultimately erode the trust humans may have otherwise placed in beneficial applications. In this work, we more specifically explore two major aspects of XAI, in the context of Natural Language Processing tasks and models: in the first part, we approach the subject of intrinsic interpretability, which encompasses all methods which are inherently easy to produce explanations for. In particular, we focus on word embedding representations, which are an essential component of practically all NLP architectures, allowing these mathematical models to process human language in a more semantically-rich way. Unfortunately, many of the models which generate these representations, produce them in a way which is not interpretable by humans. To address this problem, we experiment with the construction and usage of Interpretable Word Embedding models, which attempt to correct this issue, by using constraints which enforce interpretability on these representations. We then make use of these, in a simple but effective novel setup, to attempt to detect lexical correlations, spurious or otherwise, in some popular NLP datasets. In the second part, we explore post-hoc explainability methods, which can target already trained models, and attempt to extract various forms of explanations of their decisions. These can range from diagnosing which parts of an input were the most relevant to a particular decision, to generating adversarial examples, which are carefully crafted to help reveal weaknesses in a model. We explore a novel type of approach, in parts allowed by the highly-performant but opaque recent Transformer architectures: instead of using a separate method to produce explanations of a model's decisions, we design and fine-tune an architecture which jointly learns to both perform its task, while also producing free-form Natural Language Explanations of its own outputs. We evaluate our approach on a large-scale dataset annotated with human explanations, and qualitatively judge some of our approach's machine-generated explanations
Avec l'avènement des architectures Transformer en Traitement Automatique des Langues il y a quelques années, nous avons observé des progrès sans précédents dans diverses tâches de classification ou de génération de textes. Cependant, l'explosion du nombre de paramètres et de la complexité de ces modèles "boîte noire" de l'état de l'art, rendent de plus en plus évident le besoin désormais urgent de transparence dans les approches d'apprentissage automatique. La capacité d'expliquer, d'interpréter et de comprendre les décisions algorithmiques deviendra primordiale à mesure que les modèles informatiques deviennent de plus en plus présents dans notre vie quotidienne. En utilisant les méthodes de l'IA eXplicable (XAI), nous pouvons par exemple diagnostiquer les biais dans des ensembles de données, des corrélations erronées qui peuvent au final entacher le processus d'apprentissage des modèles, les conduisant à apprendre des raccourcis indésirables, ce qui pourrait conduire à des décisions algorithmiques injustes, incompréhensibles, voire risquées. Ces modes d'échec de l'IA peuvent finalement éroder la confiance que les humains auraient pu placer dans des applications bénéfiques. Dans ce travail, nous explorons plus spécifiquement deux aspects majeurs de l'XAI, dans le contexte des tâches et des modèles de Traitement Automatique des Langues : dans la première partie, nous abordons le sujet de l'interprétabilité intrinsèque, qui englobe toutes les méthodes qui sont naturellement faciles à expliquer. En particulier, nous nous concentrons sur les représentations de plongement de mots, qui sont une composante essentielle de pratiquement toutes les architectures de TAL, permettant à ces modèles mathématiques de manipuler le langage humain d'une manière plus riche sur le plan sémantique. Malheureusement, la plupart des modèles qui génèrent ces représentations les produisent d'une manière qui n'est pas interprétable par les humains. Pour résoudre ce problème, nous expérimentons la construction et l'utilisation de modèles de plongement de mots interprétables, qui tentent de corriger ce problème, en utilisant des contraintes qui imposent l'interprétabilité de ces représentations. Nous utilisons ensuite ces modèles, dans une configuration nouvelle, simple mais efficace, pour tenter de détecter des corrélations lexicales, erronées ou non, dans certains ensembles de données populaires en TAL. Dans la deuxième partie, nous explorons les méthodes d'explicabilité post-hoc, qui peuvent cibler des modèles déjà entraînés, et tenter d'extraire diverses formes d'explications de leurs décisions. Ces méthodes peuvent aller du diagnostic des parties d'une entrée qui étaient les plus pertinentes pour une décision particulière, à la génération d'exemples adversariaux, qui sont soigneusement conçus pour aider à révéler les faiblesses d'un modèle. Nous explorons un nouveau type d'approche, en partie permis par les architectures Transformer récentes, très performantes mais opaques : au lieu d'utiliser une méthode distincte pour produire des explications des décisions d'un modèle, nous concevons et mettons au point une configuration qui apprend de manière jointe à exécuter sa tâche, tout en produisant des explications en langage naturel en forme libre de ses propres résultats. Nous évaluons notre approche sur un ensemble de données de grande taille annoté avec des explications humaines, et nous jugeons qualitativement certaines des explications générées par notre approche
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Dates and versions

tel-03770191 , version 1 (06-09-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03770191 , version 1

Cite

Tom Bourgeade. From Text to Trust : A Priori Interpretability Versus Post Hoc Explainability in Natural Language Processing. Artificial Intelligence [cs.AI]. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2022. English. ⟨NNT : 2022TOU30063⟩. ⟨tel-03770191⟩
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