Left-Branching Transformers Excel at Right-Branching Languages: Data Shapes Word Order Preferences in Language Models
تُثبت هذه الورقة أن انحيازات ترتيب الكلمات في النماذج اللغوية ذات فك التشفير فقط ليست تفضيلات هيكلية متأصلة، بل هي مدفوعة ببيانات التدريب، حيث تفضل النماذج هياكل (فاعل-فعل-مفعول به) ذات التفرع الأيمن في اللغات الطبيعية بسبب وفرة البيانات وجودتها، مما يشكل خطراً يتمثل في تقليل تنوع ترتيب الكلمات العالمي.
المؤلفون الأصليون:Varvara Arzt, Allan Hanbury, Terra Blevins
ليست اللغة مجرد مجموعة من الكلمات؛ بل هي مجموعة من القواعد لكيفية ترتيب تلك الكلمات لتصبح ذات معنى. في بعض اللغات، يأتي الفعل بعد الفاعل والمفعول به، مثل "القط أكل السمكة". وفي لغات أخرى، يأتي الفعل أولاً، أو يأتي المفعول به قبل الفاعل. هذا الترتيب، المعروف باسم ترتيب الكلمات، هو أحد أكثر الطرق جوهرية التي تختلف بها اللغات البشرية. لعقود من الزمن، درس علماء اللغويات هذه الأنماط لفهم كيف يتعلم الدماغ البشري اللغة ويعالجها، بحثاً عن قواعد عالمية قد تنطبق على جميع البشر في كل مكان. والي اليوم، دخل نوع جديد من المتعلمين إلى هذا المجال: الذكاء الاصطناعي. هذه البرامج الحاسوبية، التي تسمى نماذج اللغة، يتم تدريبها على كميات هائلة من النصوص ويمكنها توليد جمل تشبه الجمل البشرية. وقد برز سؤال حاسم: هل تتعلم هذه الآلات اللغة كما يتعلمها البشر، أم أنها تطور تفضيلات خفية خاصة بها لكيفية ترتيب الكلمات؟
وضع فريق من الباحثين هدفاً للإجابة على ذلك من خلال اختبار كيفية تعامل هذه النماذج مع ترتيبات الكلمات المختلفة. لقد بنوا تجربة منضبطة باستخدام نوعين مختلفين تماماً من البيانات. أولاً، أنشأوا مئات اللغات الاصطناعية. لم تكن هذه لغات حقيقية يتحدث بها الناس، بل كانت كيانات رياضية مصممة لعزل سمات محددة. تخيل لغة يكون الشيء الوحيد الذي يتغير فيها هو ما إذا كانت الصفة تأتي قبل الاسم أو بعده، أو ما إذا كان الفعل يأتي في بداية الجملة أو في نهايتها. ومن خلال تجريد اللغة من تعقيدات الكلام البشري الحقيقي — مثل السياق الثقافي، والقواعد غير المنتظمة، والبيانات الفوضوية — استطاع الباحثون معرفة ما إذا كان لدى النموذج الحاسوبي تفضيل متأصل لهيكل معين دون غيره. ثم قارنوا هذه النتائج بكيفية أداء نفس النماذج على لغات طبيعية حقيقية من جميع أنحاء العالم، تتراوح من الإنجليزية والإسبانية إلى اليابانية والسواحيلية.
كشفت النتائج عن انقسام مفاجئ في كيفية سلوك هذه النماذج. فعندما درب الباحثون النماذج على اللغات الاصطناعية، فضلت الحواسيب باستمرار هيكلاً محدداً تأتي فيه الملحقات قبل الكلمة الرئيسية، وهو نمط يسميه اللغويون "التفرع الأيسر" (left-branching). كان هذا التفضيل قوياً لدرجة أنه ظهر بغض النظر عن الترتيب الأساسي للجملة. ومع ذلك، فإن هذا التفضيل لم يتطابق مع ما نعرفه عن تعلم اللغة لدى البشر. فالبشر يميلون إلى التناسق؛ فإذا كانت اللغة تضع الفعل في النهاية، يتوقع البشر عادةً أن تتبع الأجزاء الأخرى من الجملة نمطاً مشابهاً. أظهرت اللغات الاصطناعية أن النماذج لم تكن تتبع المنطق البشري أو الأنماط الإحصائية الموجودة في لغات العالم، بل بدا أن النماذج تفضل هيكلاً يسهل على بنيتها الخاصة معالجته، وهو انحياز وُجد بشكل مستقل عن قواعد أي لغة في العالم الحقيقي.
تغيرت القصة تماماً عندما انتقل الباحثون إلى بيانات العالم الحقيقي. فعندما تم تدريب النماذج على لغات طبيعية، ولكن بكمية صغيرة فقط من النصوص — حوالي خمسة ميجابايت لكل لغة — لم تظهر أي تفضيل واضح لأي ترتيب كلمات محدد، بل كانت مرتاحة بالتساوي مع الترتيبات المختلفة. ومع ذلك، مع زيادة الباحثين لكمية بيانات التدريب إلى مقياس أكبر بكثير، حوالي ألف ميجابايت، ظهر نمط متميز. بدأت النماذج تفضل اللغات التي يأتي فيها الفاعل قبل الفعل، والفعل قبل المفعول به، مثل الإنجليزية أو الصينية. يُعرف هذا بترتيب (فاعل-فعل-مفعول به)، أو SVO. ومن المثير للاهتمام أن هذا التفضيل ازداد قوة مع رؤية النماذج لمزيد من البيانات، رغم أن ترتيباً آخر، حيث يأتي الفعل في النهاية (فاعل-مفعول به-فعل)، هو في الواقع أكثر شيوعاً عبر لغات العالم.
بحث الباحثون في سبب حدوث هذا التحول، ووجدوا أن التفضيل لترتيب (SVO) لم يكن بسبب كون البنية الحاسوبية أفضل بطبيعتها في فهم ذلك الترتيب المحدد، بل كان التفضيل مدفوعاً بالكامل بالبيانات التي غُذيت بها النماذج. فاللغات الأكثر توفراً على الإنترنت وفي المكتبات الرقمية — والتي تسمى غالباً "اللغات عالية الموارد" — هي لغات تتبع ترتيب (SVO) بشكل ساحق. ولأن النماذج تم تدريبها على كميات هائلة من النصوص من هذه اللغات المحددة، فقد تعلمت إعطاء الأولوية لهذا الهيكل. وعندما نظر الباحثون إلى النماذج المدربة على لغات ذات بيانات متاحة قليلة جداً، اختفى امتياز (SVO). وهذا يشير إلى أن النماذج لا تكتشف حقيقة عالمية حول اللغة، بل هي ببساطة تعكس عدم التوازن في المعلومات التي تتاح لها الوصول إليها.
لهذا الاكتشاف تداعيات كبيرة على مستقبل تكنولوجيا اللغة. فإذا تم استخدام هذه النماذج بشكل متزايد للترجمة أو الكتابة أو التواصل بلغات أقل شيوعاً أو ذات ترتيب كلمات مختلف، فهناك خطر من أنها ستدفع تلك اللغات بمهارة نحو هيكل (SVO). قد تجعل هذه النماذج من الصعب استخدام أو فهم ترتيبات الكلمات الطبيعية والمرنة التي تعتمد عليها العديد من اللغات للتعبير عن الدقة أو التركيز أو العاطفة. تظهر الدراسة أنه بينما قد يكون لدى التصميم الداخلي للكمبيوتر انحياز طفيف، فإن البيانات التي يستهلكها هي القوة المهيمنة التي تشكل سلوكه. ومع انتشار هذه الأدوات، فإن الطريقة التي ننسق ونختار بها البيانات التي تتعلم منها هي التي ستحدد ما إذا كانت ستحافظ على التنوع الغني للغة البشرية أو ستعمل تدريجياً على صهرها في نمط واحد موحد.
ملخص تقني: نماذج المحولات (Transformers) ذات التفرع الأيسر تتفوق في اللغات ذات التفرع الأيمن
بيان المشكلة
مع نشر النماذج اللغوية الكبيرة (LLMs) عبر لغات متنوعة نمطياً، يبرز سؤال حاسم: هل تطور هذه النماذج تفضيلات نظامية في ترتيب الكلمات، وإذا كان الأمر كذلك، فهل تُدفع هذه التفضيلات بواسطة الانحيازات الاستقرائية للبنية أم بتكوين بيانات التدريب؟ لقد استخدمت الأبحاث السابقة لغات اصطناعية لعزل المتغيرات النحوية، لكنها تفتقر إلى التعقيد الدلالي والصرفي للغات الطبيعية. ومن ناحية أخرى، تفشل التقييمات على اللغات الطبيعية في الفصل بين ترتيب الكلمات والعوامل المربكة الأخرى مثل الصرف، ونوع الخط، وجودة البيانات. تعالج هذه الورقة الفجوة من خلال المقارنة المنهجية لتفضيلات ترتيب الكلمات في النماذج التي تعتمد على فك التشفير فقط (decoder-only) عبر 192 لغة اصطناعية ولغات طبيعية متنوعة نمطياً لتحديد مصدر الانحيازات الملحوظة.
المنهجية
يستخدم المؤلفون نهجاً مزدوج النمط، حيث يجرون تجارب متوازية على لغات اصطناعية وطبيعية عند مستويات متعددة من حجم بيانات التدريب لعزل الأولويات المعمارية عن التأثيرات المدفوعة بالبيانات.
1. اللغات الاصطناعية
التوليد: تولد الدراسة 192 لغة اصطناعية بناءً على قواعد سياقية خالية من الاحتمالات (PCFGs). تُعرف كل لغة بترتيب أساسي للمبتدأ والخبر والمفعول به (S/V/O) (تغطي جميع الترتيبات الستة الخطية: SVO، SOV، VSO، VOS، OVS، OSV) وخمسة مفاتيح ثنائية تتحكم في اتجاه المكونات الداخلية (التفرع الأيسر مقابل التفرع الأيمن) للجمل التكميلية، وأدوات الربط، وحروف الجر، والصفات، والجمل الموصولة.
الضبط: تشترك جميع اللغات الـ 192 في احتمالات الاشتقاق والمفردات (50 ألف كلمة زائفة ذات توزيع زيبفي)، وتختلف فقط في ترتيب الكلمات. هذا يعزل الاتجاه والترتيب الأساسي كمتغيرات وحيدة.
النماذج: يتم تدريب نماذج منفصلة من نوع GPT-2 (4 طبقات، 8 رؤوس) على كل لغة عند أحجام بيانات تبلغ حوالي 0.5 ميجابايت، و5 ميجابايت، و10 ميجابايت.
المقياس: يُستخدم إدراك الحيرة (Perplexity - PPL) لتقييم الأداء، حيث يشير انخفاض PPL إلى سهولة النمذجة.
2. اللغات الطبيعية
مجموعات البيانات: يتم إجراء التقييم على مجموعات بيانات FLORES-200 (الجمل المتوازية) ومستودعات أشجار Universal Dependencies (PUD). تُصنف اللغات باستخدام نفس نظام الترميز المستخدم في اللغات الاصطناعية (على سبيل المثال، تمثيل الإنجليزية بـ SVO-RRRLR).
النماذج:
أحادية اللغة: نماذج Goldfish (المبنية على GPT-2) المدربة على ما يصل إلى 350 لغة عند أربعة أحجام للبيانات: 5 ميجابايت، 10 ميجابايت، 100 ميجابايت، و1000 ميجابايت.
متعددة اللغات: يتم تقييم نماذج mGPT وBLOOM وXGLM لاختبار التعميم عبر أنظمة تدريب ومستويات موارد مختلفة.
المقياس: يُستخدم مقياس "البت لكل حرف إنجليزي" (BPEC) لضمان قابلية المقارنة عبر أدوات التجزئة (tokenizers)، جنباً إلى جنب مع تحليل المفاجأة لكل رمز (per-token surprisal).
3. التحليل
تحلل الدراسة تفضيلات الاتجاه (التفرع الأيسر مقابل الأيمن)، وترتيبات الكلمات الأساسية، ومفاجأة المكونات. كما تتحكم في العوامل المربكة مثل التعقيد الصرفي، ونوع الخط، ومدى توفر موارد اللغة باستخدام نماذج التأثيرات المختلطة الخطية.
النتائج الرئيسية
1. اللغات الاصطناعية: تفضيل التفرع الأيسر
الاتجاه: تظهر النماذج تفضيلاً ثابتاً للتكوينات ذات التفرع الأيسر (حيث تسبق التوابع الرؤوس)، بغض النظر عن ترتيب الكلمات الأساسي. يزدود هذا التفضيل مع زيادة عدد مفاتيح التفرع الأيمن.
عدم التطابق: لا يتوافق هذا الانحياز نحو التفرع الأيسر مع الكليات اللغوية (cross-linguistic universals) ولا مع انحيازات التعلم البشري (التي تفضل الاتجاهية المتسقة).
عدم استقرار الترتيب الأساسي: ترتيب الكلمات الأساسية غير مستقر عبر أحجام البيانات. عند 5 ميجابايت، يكون SOV هو الأسهل؛ وعند 10 ميجابايت، تصبح ترتيبات VS (VSO، VOS، OVS) هي الأسهل، بينما يصبح SVO هو الأصعب.
ديناميكيات التدريب: تتغير تفضيلات الاتجاه بسرعة خلال التدريب المبكر. بالنسبة لترتيبات SV الأساسية، يكون التفرع الأيمن أسهل في البداية، ثم ينعكس ليصبح لصالح التفرع الأيسر بحلول الخطوة 100.
2. اللغات الطبيعية: ميزة SVO المدفوعة بالبيانات
النطاق الصغير (5 ميجابايت): لا تظهر النماذج أحادية اللغة أي تفضيل واضح لأي ترتيب كلمات أساسي أو اتجاه.
النطاق الكبير (1000 ميجابايت): يظهر تفضيل متميز حيث تكون لغات SVO (ذات التفرع الأيمن) هي الأسهل في النمذجة، بينما تصبح لغات SOV هي الأصعب (تتحمل تكلفة ضغط أعلى بنسبة 10% تقريباً)، رغم أن SOV هو الترتيد الأكثر شيوعاً عبر اللغات.
النماذج متعددة اللغات: يمتد تفضيل SVO ليشمل النماذج متعددة اللغات (mGPT، XGLM). في نموذج BLOOM، يتم حجب هذا الاتجاه بدلاً من غيابه؛ حيث تهيمن لغات نيجر-كونغو ذات الموارد المنخفضة جداً على مجموعة SVO في BLOOM، مما يؤدي إلى تضخم وسيط BPEC للمجموعة وإخفاء الميزة الملحوظة في النماذج الأخرى. هذا يشير إلى أن التفضيل يرتبط بـ وفرة موارد اللغة وجودة البيانات بدلاً من نوع ترتيب الكلمات نفسه.
انعكاس المفاجأة: تنقلب ترتيبات مفاجأة المكونات بين الإعدادات الاصطناعية والطبيعية. في البيانات الاصطناعية (الخالية من الدلالات)، يكون الترتيب S<O<V؛ أما في البيانات الطبيعية، فيصبح V<O<S، مما يشير إلى أن القيود الاختيارية الدلالية تعيد تشكيل القدرة على التنبؤ.
3. المقارنة والتركيب
التباين: تظهر نفس البنية تفضيلات متضاربة في اللغات الاصطناعية مقابل اللغات الطبيعية. إن انحياز التفرع الأيسر الملاحظ في الإعدادات الاصطناعية يتم تجاوزه بواسطة تأثيرات البيانات في الإعدادات الطبيعية مع زيادة الحجم.
البيانات مقابل البنية: تثبت النتائج أن انحيازات ترتيب الكلمات الملحوظة في الممارسة العملية هي مدفوعة بالبيانات وليست بالبنية المعمارية. التفضيل لـ SVO في اللغات الطبيعية يرتبط بحقيقة أن اللغات ذات الموارد العالية هي في الغالب SVO.
الأهمية والادعاءات
تدعي الورقة أنها أثبتت أن انحيازات ترتيب الكلمات في نماذج المحولات (Transformer LMs) مدفوعة بالبيانات وليست بالبنية.
التجانس النمطي الصامت: يجادل المؤلفون بأنه نظرًا لأن اللغات ذات الموارد العالية هي في الغالب SVO، فإن الميزة المدفوعة بالبيانات لـ SVO تخلق شرطاً مسبقاً لـ "التجانس النمطي الصامت". ومع اعتماد النماذج اللغوية الكبيرة، هناك خطر من حدوث تقليل تدريجي في تنوع ترتيب الكلمات، خاصة في اللغات التي تستخدم ترتيبات كلمات متعددة بشكل منتج، حيث قد تميل النماذج بشكل متزايد نحو الأنماط السائدة للغات ذات الموارد العالية.
المساهمة المنهجية: من خلال توحيد التقييمات الاصطناعية والطبيعية، توضح الدراسة أن النتائج المستمدة من تجارب اللغات الاصطناعية المحكومة لا تنتقل بالضرورة إلى إعدادات اللغات الطبيعية بسبب التأثير الطاغي لتكوين البيانات وجودتها.
الآثار المترتبة: تشير النتائج إلى أن هذه الانحيازات ليست متأصلة في بنية المحول (Transformer)، بل هي نتاج لبيانات تدريب غير متوازنة. ويرى المؤلفون أن هذه الانحيازات يمكن معالجتها من خلال تنسيق البيانات، رغم إشارتهم إلى أن الفجوة بين اللغات عالية ومنخفضة الموارد في النماذج الرائدة قد تفاقم هذه الآثار.
تختتم الورقة بالإشارة إلى القيود، بما في ذلك استخدام تسميات ترتيب الكلمات الفئوية (التي قد تحجب التباين المتدرج)، والتركيز على النصوص المكتوبة/الرسمية، والاعتماد على مقاييس بديلة لجودة البيانات. وتدعو إلى مزيد من العمل المستقبلي الذي يتضمن نماذج أكبر، وبيانات لغوية منطوقة، وقابلية تفسير ميكانيكية لفهم هذه التفضيلات بشكل أعمق.