人工智能NLP--特征提取之词嵌入(Word Embedding)

一、前言

在上篇文章中，笔者详细讲解介绍了人工智能自然语言处理特征提取中的TD-IDF型文本处理方法，那么接下来，笔者将为大家揭晓，目前阶段，在特征提取，也就是文本数据转成数字数据领域内最常用也是最好用的方法–词嵌入（Word Embedding）。

二、定义，组成和基本介绍

在自然语言处理（NLP）领域，词嵌入（Word Embedding）是一种将词汇映射到向量空间的技术。通过词嵌入，词汇可以被表示为实数值向量，这些向量捕捉了词汇之间的语义关系。顺带提一嘴的是，词嵌入是NLP的一个核心技术，广泛应用于各种任务，如文本分类、情感分析、机器翻译等。

1. 词嵌入的基本概念

词嵌入的目标是将离散的词汇映射到一个连续的、低维的向量空间中，使得语义相似的词在向量空间中彼此接近。换句话说，词嵌入将词汇表示为实数值向量，这些向量捕捉了词汇之间的语义关系。

2. 词嵌入的动机

传统的词汇表示方法（如独热编码）存在一些问题：

高维稀疏性：词汇表中的每个词都被表示为一个高维向量，其中只有一个维度为1，其余维度为0。
缺乏语义信息：独热编码无法捕捉词汇之间的语义关系，如“cat”和“dog”在独热编码中是完全不同的向量。

词嵌入通过将词汇映射到一个低维的、密集的向量空间中，解决了上述问题，并能够捕捉词汇之间的语义关系。简单来说，词嵌入不仅可以减少数据向量的维度从而方便计算，还可以帮助提取增加词与词之间的语义关系等等。

3. 词嵌入的应用

词嵌入在NLP中有广泛的应用，包括但不限于：

文本分类：将文本表示为词嵌入向量的组合，然后输入到分类模型中。
情感分析：通过词嵌入捕捉文本中的情感信息。
机器翻译：将源语言和目标语言的词汇映射到相同的向量空间中。
信息检索：通过词嵌入计算查询和文档之间的相似度。

4. 词嵌入的局限性

尽管词嵌入在NLP中取得了显著的成功，但它们也有一些局限性：

静态表示：传统的词嵌入（如Word2Vec、GloVe）为每个词生成一个固定的向量，无法捕捉词义的多义性。
上下文独立：传统的词嵌入方法无法根据上下文动态调整词的表示。

5. 上下文嵌入

为了克服传统词嵌入的局限性，近年来提出了一些上下文嵌入方法，如BERT、GPT等。这些方法通过预训练语言模型，能够根据上下文动态生成词的表示，捕捉词义的多义性和上下文依赖性。

5.1 BERT

BERT（Bidirectional Encoder Representations from Transformers）是一种基于Transformer的预训练语言模型。BERT通过双向训练，能够捕捉词汇的上下文信息，并生成上下文相关的词嵌入。

5.2 GPT

GPT（Generative Pre-trained Transformer）也是一种基于Transformer的预训练语言模型，但与BERT不同，GPT是单向训练的，即从左到右生成词嵌入。

6. 词嵌入的方法

6.1 Word2Vec

Word2Vec是一种基于神经网络的词嵌入方法，它通过训练一个两层的神经网络，将每个词汇映射到一个固定长度的向量空间中。Word2Vec包括两种模型：CBOW（Continuous Bag-of-Words）和Skip-gram。CBOW模型是根据上下文预测中心词汇，Skip-gram模型是根据中心词汇预测上下文词汇。

两种主要的训练架构：

CBOW（Continuous Bag of Words） ：预测上下文中的中心词。
Skip-gram：预测中心词的上下文词。

听不懂 ? 没关系，上例子 !

例如，对于句子“the cat sat on the mat”，CBOW模型会尝试根据上下文词“the”, “sat”, “on”, “the”来预测中心词“cat”，而Skip-gram模型会尝试根据中心词“cat”来预测上下文词“the”, “sat”, “on”, “the”。

6.2 GloVe(了解即可)

GloVe（Global Vectors for Word Representation）是一种基于全局词汇统计信息的词嵌入方法，它通过最小化词汇之间的共现矩阵的加权平方误差，学习每个词汇的向量表示。GloVe的优点是能够捕捉到词汇之间的语义关系和语法关系。GloVe的目标是使词汇对之间的向量差异能够反映它们的共现概率。

6.3 FastText(了解即可)

FastText 是由Facebook的研究人员提出的一种词嵌入方法，它扩展了Word2Vec模型，是一种基于子词（subword）的词嵌入方法，它将每个词汇表示为其子词的向量和一个特殊的词汇向量的加权和。FastText的优点是能够处理未登录词汇和词汇拼写错误的情况。这使得FastText能够处理未登录词（OOV）和拼写错误的词汇。

相比较后两种词嵌入方法而言，目前市场上主流的，用的最多的还是Word2Vec方法，因此，笔者下面将着重讲解这一词嵌入的方法。

三、Word2Vec

定义

Word2Vec是一种流行的词嵌入模型，由Tomas Mikolov等人在2013年提出。它是一个浅层神经网络，能够将词语转换为向量形式，这些向量能够捕捉词语之间的语义和语法关系。Word2Vec有两种主要的模型架构：连续词袋（CBOW）和跳跃式（Skip-Gram）模型。

1. 连续词袋（Continuous Bag of Words, CBOW）

CBOW模型的目标是根据上下文的词来预测目标词。给定一个目标词w和它的上下文词c1, c2, …, cn，模型会尝试预测w的概率分布。CBOW模型的输入是上下文词的向量表示，输出是目标词的向量表示。

工作原理：

将上下文词的向量求和，得到一个向量表示。
使用这个向量表示作为输入，通过一个softmax层来预测目标词的概率。

2. 跳跃式（Skip-Gram）模型

与CBOW相反，Skip-Gram模型的目标是根据目标词来预测它的上下文词。对于每个目标词w，模型会尝试预测它周围每个上下文词c的概率分布。

工作原理：

使用目标词的向量表示作为输入。
对于每个上下文词，使用一个softmax层来预测它的概率。

3. 训练过程

无论是CBOW还是Skip-Gram模型，训练过程都包括以下步骤(其实也就是一个基础完整的神经网络的过程)：

初始化：随机初始化词向量和（如果是CBOW模型的话）上下文向量。
前向传播：根据模型架构，计算目标词或上下文词的概率分布。
计算损失：使用负采样或层次softmax技术来计算损失函数。
反向传播：根据损失函数，更新词向量。
迭代：重复上述步骤，直到模型收敛。

4. 负采样

由于softmax层的计算复杂度很高，Word2Vec使用负采样来加速训练。负采样是一种随机梯度下降变体，它只更新一小部分错误的类别，而不是所有类别。

5. 层次softmax

层次softmax是另一种加速技术，它通过构建一个二叉树来减少计算量。每个词都被放置在树中的某个位置，树的每个内部节点都对应于一个中间向量表示。

6. 应用

语义相似度：使用词向量计算词语之间的相似度。
文本分类：作为特征输入到分类模型中。
机器翻译：帮助理解源语言和目标语言的语义。
命名实体识别（NER）：帮助模型识别和分类文本中的实体。

7. 限制和挑战

尽管Word2Vec非常流行且有效，但它也有一些限制：

上下文窗口大小：固定的上下文窗口大小可能无法捕捉长距离依赖关系。
一词多义：模型可能难以区分多义词的不同含义。
训练数据：需要大量的高质量文本数据进行训练。

Word2Vec是NLP领域的一个重要里程碑，它为词语的向量化表示提供了一种有效的方法。尽管存在一些挑战，但它仍然是许多NLP任务中常用的基础技术之一。

OK ，前面抽象和生硬的内容也看得够呛了吧，老规矩，上例子!!

四、Word2Vec文本具体案例演示

让俺们通过一个具体的例子来说明Word2Vec是如何工作的，以及它如何生成词向量的。

假设文本数据

假设我们有以下简单的文本数据作为我们的语料库：

The quick brown fox jumps over the lazy dog.

预处理

首先，我们将文本进行预处理，包括分词（Tokenization）、去除停用词等步骤。在这个例子中，我们将忽略停用词，并简单地将句子分割成单词列表：

['The', 'quick', 'brown', 'fox', 'jumps', 'over', 'the', 'lazy', 'dog']

训练Word2Vec模型

接下来，我们使用Word2Vec模型来训练词向量。我们可以选择CBOW或Skip-Gram模型。为了简单起见，我们这里使用CBOW模型。

定义上下文窗口

我们定义一个大小为2的上下文窗口。这意味着对于每个目标词，我们将使用它左右两侧各一个词作为上下文。

训练过程

对于每个词，我们创建一个由其上下文词组成的窗口。
我们将这些词作为输入，目标是预测中心词。

例如，如果我们考虑中心词“fox”，它的上下文窗口将是：

上下文词：[‘quick’, ‘brown’, ‘jumps’, ‘over’]

我们将这些上下文词的词向量与训练数据中的词向量进行比较，并通过反向传播调整我们的词向量，以最小化预测误差。

词向量的生成

经过训练后，每个词将被表示为一个向量。例如，我们可能得到以下词向量：

The → [0.1, 0.3, 0.2, …]
quick → [0.8, -0.4, 0.5, …]
brown → [0.3, 0.6, -0.1, …]
fox → [0.4, 0.2, 0.9, …]
jumps → [-0.5, 0.8, 0.3, …]
over → [-0.2, 0.1, 0.7, …]
lazy → [0.2, -0.3, 0.1, …]
dog → [0.7, -0.6, 0.2, …]

例子：语义相似性

如果我们想要找到与“fox”语义上相似的词，我们可以计算“fox”的词向量与其他词向量之间的距离（例如，使用余弦相似度），然后选择距离最近的词。假设我们得到以下结果：

dog 的余弦相似度最高，这意味着在训练数据的上下文中，“fox”和“dog”经常一起出现，因此它们在语义上是相似的。

例子：向量运算

Word2Vec的一个有趣特性是它可以执行向量运算来捕捉语义关系。例如，如果我们想要找到“king”和“man”之间的性别转换，我们可以执行以下向量运算：

king - man + woman 的结果可能会接近于“queen”的词向量，因为这种运算捕捉了性别的语义差异。

这个例子展示了Word2Vec如何通过上下文学习词的向量表示，并捕捉词与词之间的语义和句法关系。在实际应用中，Word2Vec模型会在更大的语料库上训练，生成更复杂的词向量，以用于各种复杂的NLP任务。

五、Word2Vec示例代码演示

下面是笔者使用Gensim库训练Word2Vec模型的代码：

from gensim.models import Word2Vec# 示例句子
sentences = [["the", "cat", "sat", "on", "the", "mat"],["the", "dog", "barked", "at", "the", "cat"]
]# 训练Word2Vec模型
model = Word2Vec(sentences, vector_size=100, window=5, min_count=1, workers=4)# 获取词汇的向量表示
vector = model.wv['cat']
print(vector)# 查找与“cat”最相似的词汇
similar_words = model.wv.most_similar('cat')
print(similar_words)

六、总结

词嵌入是NLP中一种重要的技术，通过将词汇映射到向量空间中，能够捕捉词汇之间的语义关系。传统的词嵌入方法（如Word2Vec、GloVe、FastText）已经在各种NLP任务中取得了显著的成功，而上下文嵌入方法（如BERT、GPT）进一步提升了词嵌入的表现，能够更好地捕捉词义的多义性和上下文依赖性。理解和掌握词嵌入技术是从事NLP研究和应用的重要基础。

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