NLP 领域里的8 种文本表示方式及优缺点

1概述

文本表示（ text representation）是NLP任务中非常基础，同时也非常重要的一部分。目前常用的文本表示方式分为：

1. 离散式表示（Discrete Representation）；
2. 分布式表示（Distributed Representation）；

本文旨在介绍这两类常用的文本表示方式。

2离散式表示（Discrete Representation）

  2.1 One-Hot

One-Hot 编码又称为“独热编码”或“哑编码”，是最传统、最基础的词（或字）特征表示方法。这种编码将词（或字）表示成一个向量，该向量的维度是词典（或字典）的长度（该词典是通过语料库生成的），该向量中，当前词的位置的值为1，其余的位置为0。

文本使用one-hot 编码步骤：

1. 根据语料库创建 词典（vocabulary），并创建词和索引的 映射（stoi，itos)；
2. 将句子转换为用索引表示；
3. 创建OneHot 编码器；
4. 使用OneHot 编码器对句子进行编码；

ne-Hot 编码的特点如下：

1. 词向量长度是词典长度；
2. 在向量中，该单词的索引位置的值为  1 ，其余的值都是  0 ；
3. 使用One-Hot 进行编码的文本，得到的矩阵是稀疏矩阵（sparse matrix）；

缺点：

1. 不同词的向量表示互相正交，无法衡量不同词之间的关系；
2. 该编码只能反映某个词是否在句中出现，无法衡量不同词的重要程度；
3. 使用One-Hot 对文本进行编码后得到的是高维稀疏矩阵，会浪费计算和存储资源；

2.2 词袋模型（Bag Of Word，BOW）

例句：

1. Jane wants to go to Shenzhen.
2. Bob wants to go to Shanghai.

在词袋模型中不考虑语序和词法的信息，每个单词都是相互独立的，将词语放入一个“袋子”里，统计每个单词出现的频率。

词袋模型编码特点：

1. 词袋模型是对文本（而不是字或词）进行编码；
2. 编码后的向量长度是词典的长度；
3. 该编码忽略词出现的次序；
4. 在向量中，该单词的索引位置的值为单词在文本中出现的次数；如果索引位置的单词没有在文本中出现，则该值为  0 ；

缺点

1. 该编码忽略词的位置信息，位置信息在文本中是一个很重要信息，词的位置不一样语义会有很大的差别（如 “猫爱吃老鼠” 和 “老鼠爱吃猫” 的编码一样）；
2. 该编码方式虽然统计了词在文本中出现的次数，但仅仅通过“出现次数”这个属性无法区分常用词（如：“我”、“是”、“的”等）和关键词（如：“自然语言处理”、“NLP ”等）在文本中的重要程度；

2.3 TF-IDF（词频-逆文档频率）

为了解决词袋模型无法区分常用词（如：“是”、“的”等）和专有名词（如：“自然语言处理”、“NLP ”等）对文本的重要性的问题，TF-IDF 算法应运而生。

TF-IDF 全称是：term frequency–inverse document frequency 又称 词频-逆文本频率。其中：

1. TF （Term Frequency ）：某个词在当前文本中出现的频率，频率高的词语或者是重要的词（如：“自然语言处理”）或者是常用词（如：“我”、“是”、“的”等）；
2. IDF （Inverse Document frequency ）：逆文本频率。文本频率是指：含有某个词的文本在整个语料库中所占的比例。逆文本频率是文本频率的倒数；

公式

优点

1. 实现简单，算法容易理解且解释性较强；
2. 从IDF 的计算方法可以看出常用词（如：“我”、“是”、“的”等）在语料库中的很多文章都会出现，故IDF的值会很小；而关键词（如：“自然语言处理”、“NLP ”等）只会在某领域的文章出现，IDF 的值会比较大；故：TF-IDF 在保留文章的重要词的同时可以过滤掉一些常见的、无关紧要的词；

缺点

1. 不能反映词的位置信息，在对关键词进行提取时，词的位置信息（如：标题、句首、句尾的词应该赋予更高的权重）；
2. IDF 是一种试图抑制噪声的加权，本身倾向于文本中频率比较小的词，这使得IDF 的精度不高；
3. TF-IDF 严重依赖于语料库（尤其在训练同类语料库时，往往会掩盖一些同类型的关键词；如：在进行TF-IDF 训练时，语料库中的 娱乐 新闻较多，则与 娱乐 相关的关键词的权重就会偏低 ），因此需要选取质量高的语料库进行训练；

3分布式表示（Distributed Representation

理论基础：

• 1954年，Harris提出分布式假说（distributional hypothesis）奠定了这种方法的理论基础：A word’s meaning is given by the words that frequently appear close-by（上下文相似的词，其语义也相似）；
• 1957年，Firth对分布式假说做出进一步的阐述和明确：A word is characterized by the company it keeps（词的语义由其上下文决定）；

  3.1 n-gram

n-gram 是一种 语言模型(Language Model, LM)。语言模型是一种基于概率的判别式模型，该模型的输入是一句话（单词的序列），输出的是这句话的概率，也就是这些单词的联合概率（joint probability）。（备注：语言模型就是判断一句话是不是正常人说的。）

3.2 共现矩阵（Co-Occurrence Matrix）

首先指定窗口大小，然后统计窗口（和对称窗口）内词语共同出现的次数作为词的向量（vector）。

语料库：

1. I like deep learning.
2. I like NLP.
3. I enjoy flying.

备注： 指定窗口大小为1（即：左右的 window_length=1，相当于 bi-gram）统计数据如下：（I, like），（Iike, deep），（deep, learning），（learning, .），（I, like），（like, NLP），（NLP, .），（I, enjoy），（enjoy, flying）， （flying, .）。则语料库的共现矩阵如下表所示：

从以上的共现矩阵可以看出，单词  like 和  enjoy 都在单词  I 附件出现且统计数目大概相等，则它们在 语义 和 语法 上的含义大概相同。

优点

1. 考虑了句子中词的顺序；

缺点

1. 词表的长度很大，导致词的向量长度也很大；
2. 共现矩阵也是稀疏矩阵（可以使用 SVD、PCA 等算法进行降维，但是计算量很大）；

3.3 Word2Vec

word2vec 模型是Google团队在2013年发布的 word representation 方法。该方法一出让 预训练词向量 的使用在NLP 领域遍地开花。

模型

word2vec有两种模型：CBOW 和 SKIP-GRAM；

• CBOW：利用上下文的词预测中心词；

• SKIP-GRAM：利用中心词预测上下文的词；

优点

1. 考虑到词语的上下文，学习到了语义和语法的信息；
2. 得到的词向量维度小，节省存储和计算资源；
3. 通用性强，可以应用到各种NLP 任务中；

缺点

1. 词和向量是一对一的关系，无法解决多义词的问题；
2. word2vec是一种静态的模型，虽然通用性强，但无法真的特定的任务做动态优化；

3.4 GloVe

GloVe 是斯坦福大学Jeffrey、Richard 等提供的一种词向量表示算法，GloVe 的全称是Global Vectors for Word Representation，是一个基于全局词频统计（count-based & overall staticstics）的词表征（word representation）算法。该算法综合了global matrix factorization（全局矩阵分解） 和 local context window（局部上下文窗口） 两种方法的优点。

备注：Glove模型的推导公式比较复杂，在这里不做详细推导，具体可以查看官网（https://nlp.stanford.edu/projects/glove/）。

效果

优点

1. 考虑到词语的上下文、和全局语料库的信息，学习到了语义和语法的信息；
2. 得到的词向量维度小，节省存储和计算资源；
3. 通用性强，可以应用到各种NLP 任务中；

缺点

1. 词和向量是一对一的关系，无法解决多义词的问题；
2. glove也是一种静态的模型，虽然通用性强，但无法真的特定的任务做动态优化；

3.5 ELMO

word2vec 和 glove 算法得到的词向量都是静态词向量（静态词向量会把多义词的语义进行融合，训练结束之后不会根据上下文进行改变），静态词向量无法解决多义词的问题（如：“我今天买了7斤苹果” 和 “我今天买了苹果7” 中的 苹果 就是一个多义词）。而ELMO模型进行训练的词向量可以解决多义词的问题。

ELMO 的全称是“ Embedding from Language Models ”，这个名字不能很好的反映出该模型的特点，提出ELMO 的论文题目可以更准确的表达出该算法的特点“ Deep contextualized word representation ”。

该算法的精髓是：用语言模型训练神经网络，在使用word embedding 时，单词已经具备上下文信息，这个时候神经网络可以根据上下文信息对word embedding 进行调整，这样经过调整之后的word embedding 更能表达在这个上下文中的具体含义，这就解决了静态词向量无法表示多义词的问题。

网络模型

过程

1. 上图中的结构使用字符级卷积神经网络（convolutional neural network, CNN）来将文本中的词转换成原始词向量（raw word vector） ；
2. 将原始词向量输入双向语言模型中第一层 ；
3. 前向迭代中包含了该词以及该词之前的一些词汇或语境的信息（即上文）；
4. 后向迭代中包含了该词以及该词之后的一些词汇或语境的信息（即下文） ；
5. 这两种迭代的信息组成了中间词向量（intermediate word vector）；
6. 中间词向量被输入到模型的下一层 ；
7. 最终向量就是原始词向量和两个中间词向量的加权和；

效果

如上图所示：

• 使用glove训练的词向量中，与 play 相近的词大多与体育相关，这是因为语料中与play相关的语料多时体育领域的有关；
• 在使用elmo训练的词向量中，当 play 取 演出 的意思时，与其相近的也是 演出 相近的句子；

4结语

1. 现在深度学习在NLP 领域中使用的大多是分布式词向量；
2. 分布式词向量的理论基础是语言模型；
3. 在进行词向量选择时，要考虑到具体任务的特性，word2vec、glove、elmo训练的词向量各有优缺点，并没有哪一种比另两种效果好很多。

本文转自公众号 AI 研习社，原文地址