1概述

文本表示（ text representation）是NLP任務中非常基礎，同時也非常重要的一部分。目前常用的文本表示方式分為：

  1. 離散式表示（Discrete Representation）；
  2. 分佈式表示（Distributed Representation）；

本文旨在介紹這兩類常用的文本表示方式。

2離散式表示（Discrete Representation）

  2.1 One-Hot

One-Hot 編碼又稱為「獨熱編碼」或「啞編碼」，是最傳統、最基礎的詞（或字）特徵表示方法。這種編碼將詞（或字）表示成一個向量，該向量的維度是詞典（或字典）的長度（該詞典是通過語料庫生成的），該向量中，當前詞的位置的值為1，其餘的位置為0。

文本使用one-hot 編碼步驟：

  1. 根據語料庫創建 詞典（vocabulary），並創建詞和索引的 映射（stoi，itos)；
  2. 將句子轉換為用索引表示；
  3. 創建OneHot 編碼器；
  4. 使用OneHot 編碼器對句子進行編碼；

ne-Hot 編碼的特點如下：

  1. 詞向量長度是詞典長度；
  2. 在向量中，該單詞的索引位置的值為  1 ，其餘的值都是  0 ；
  3. 使用One-Hot 進行編碼的文本，得到的矩陣是稀疏矩陣（sparse matrix）；

缺點：

  1. 不同詞的向量表示互相正交，無法衡量不同詞之間的關係；
  2. 該編碼只能反映某個詞是否在句中出現，無法衡量不同詞的重要程度；
  3. 使用One-Hot 對文本進行編碼後得到的是高維稀疏矩陣，會浪費計算和存儲資源；

2.2 詞袋模型（Bag Of Word，BOW）

例句：

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

在詞袋模型中不考慮語序和詞法的信息，每個單詞都是相互獨立的，將詞語放入一個「袋子」里，統計每個單詞出現的頻率。

詞袋模型編碼特點：

  1. 詞袋模型是對文本（而不是字或詞）進行編碼；
  2. 編碼後的向量長度是詞典的長度；
  3. 該編碼忽略詞出現的次序；
  4. 在向量中，該單詞的索引位置的值為單詞在文本中出現的次數；如果索引位置的單詞沒有在文本中出現，則該值為  0 ；

缺點

  1. 該編碼忽略詞的位置信息，位置信息在文本中是一個很重要信息，詞的位置不一樣語義會有很大的差別（如 「貓愛吃老鼠」 和 「老鼠愛吃貓」 的編碼一樣）；
  2. 該編碼方式雖然統計了詞在文本中出現的次數，但僅僅通過「出現次數」這個屬性無法區分常用詞（如：「我」、「是」、「的」等）和關鍵詞（如：「自然語言處理」、「NLP 」等）在文本中的重要程度；

2.3 TF-IDF（詞頻-逆文檔頻率）

為了解決詞袋模型無法區分常用詞（如：「是」、「的」等）和專有名詞（如：「自然語言處理」、「NLP 」等）對文本的重要性的問題，TF-IDF 算法應運而生。

TF-IDF 全稱是：term frequency–inverse document frequency 又稱 詞頻-逆文本頻率。其中：

  1. TF （Term Frequency ）：某個詞在當前文本中出現的頻率，頻率高的詞語或者是重要的詞（如：「自然語言處理」）或者是常用詞（如：「我」、「是」、「的」等）；
  2. IDF （Inverse Document frequency ）：逆文本頻率。文本頻率是指：含有某個詞的文本在整個語料庫中所佔的比例。逆文本頻率是文本頻率的倒數；

公式

優點

  1. 實現簡單，算法容易理解且解釋性較強；
  2. 從IDF 的計算方法可以看出常用詞（如：「我」、「是」、「的」等）在語料庫中的很多文章都會出現，故IDF的值會很小；而關鍵詞（如：「自然語言處理」、「NLP 」等）只會在某領域的文章出現，IDF 的值會比較大；故：TF-IDF 在保留文章的重要詞的同時可以過濾掉一些常見的、無關緊要的詞；

缺點

  1. 不能反映詞的位置信息，在對關鍵詞進行提取時，詞的位置信息（如：標題、句首、句尾的詞應該賦予更高的權重）；
  2. IDF 是一種試圖抑制噪聲的加權，本身傾向於文本中頻率比較小的詞，這使得IDF 的精度不高；
  3. TF-IDF 嚴重依賴於語料庫（尤其在訓練同類語料庫時，往往會掩蓋一些同類型的關鍵詞；如：在進行TF-IDF 訓練時，語料庫中的 娛樂 新聞較多，則與 娛樂 相關的關鍵詞的權重就會偏低 ），因此需要選取質量高的語料庫進行訓練；

3分佈式表示（Distributed Representation

理論基礎：

  • 1954年，Harris提出分佈式假說（distributional hypothesis）奠定了這種方法的理論基礎：A word』s meaning is given by the words that frequently appear close-by（上下文相似的詞，其語義也相似）；
  • 1957年，Firth對分佈式假說做出進一步的闡述和明確：A word is characterized by the company it keeps（詞的語義由其上下文決定）；

  3.1 n-gram

n-gram 是一種 語言模型(Language Model, LM)。語言模型是一種基於概率的判別式模型，該模型的輸入是一句話（單詞的序列），輸出的是這句話的概率，也就是這些單詞的聯合概率（joint probability）。（備註：語言模型就是判斷一句話是不是正常人說的。）

3.2 共現矩陣（Co-Occurrence Matrix）

首先指定窗口大小，然後統計窗口（和對稱窗口）內詞語共同出現的次數作為詞的向量（vector）。

語料庫：

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

備註： 指定窗口大小為1（即：左右的 window_length=1，相當於 bi-gram）統計數據如下：（I, like），（Iike, deep），（deep, learning），（learning, .），（I, like），（like, NLP），（NLP, .），（I, enjoy），（enjoy, flying）， （flying, .）。則語料庫的共現矩陣如下表所示：

從以上的共現矩陣可以看出，單詞  like 和  enjoy 都在單詞  I 附件出現且統計數目大概相等，則它們在 語義 和 語法 上的含義大概相同。

優點

  1. 考慮了句子中詞的順序；

缺點

  1. 詞表的長度很大，導致詞的向量長度也很大；
  2. 共現矩陣也是稀疏矩陣（可以使用 SVD、PCA 等算法進行降維，但是計算量很大）；

3.3 Word2Vec

word2vec 模型是Google團隊在2013年發佈的 word representation 方法。該方法一出讓 預訓練詞向量 的使用在NLP 領域遍地開花。

模型

word2vec有兩種模型：CBOW 和 SKIP-GRAM；

  • CBOW：利用上下文的詞預測中心詞；
  • SKIP-GRAM：利用中心詞預測上下文的詞；

優點

  1. 考慮到詞語的上下文，學習到了語義和語法的信息；
  2. 得到的詞向量維度小，節省存儲和計算資源；
  3. 通用性強，可以應用到各種NLP 任務中；

缺點

  1. 詞和向量是一對一的關係，無法解決多義詞的問題；
  2. word2vec是一種靜態的模型，雖然通用性強，但無法真的特定的任務做動態優化；

3.4 GloVe

GloVe 是斯坦福大學Jeffrey、Richard 等提供的一種詞向量表示算法，GloVe 的全稱是Global Vectors for Word Representation，是一個基於全局詞頻統計（count-based & overall staticstics）的詞表徵（word representation）算法。該算法綜合了global matrix factorization（全局矩陣分解） 和 local context window（局部上下文窗口） 兩種方法的優點。

備註：Glove模型的推導公式比較複雜，在這裡不做詳細推導，具體可以查看官網（https://nlp.stanford.edu/projects/glove/）。

效果

優點

  1. 考慮到詞語的上下文、和全局語料庫的信息，學習到了語義和語法的信息；
  2. 得到的詞向量維度小，節省存儲和計算資源；
  3. 通用性強，可以應用到各種NLP 任務中；

缺點

  1. 詞和向量是一對一的關係，無法解決多義詞的問題；
  2. glove也是一種靜態的模型，雖然通用性強，但無法真的特定的任務做動態優化；

3.5 ELMO

word2vec 和 glove 算法得到的詞向量都是靜態詞向量（靜態詞向量會把多義詞的語義進行融合，訓練結束之後不會根據上下文進行改變），靜態詞向量無法解決多義詞的問題（如：「我今天買了7斤蘋果」 和 「我今天買了蘋果7」 中的 蘋果 就是一個多義詞）。而ELMO模型進行訓練的詞向量可以解決多義詞的問題。

ELMO 的全稱是「 Embedding from Language Models 」，這個名字不能很好的反映出該模型的特點，提出ELMO 的論文題目可以更準確的表達出該算法的特點「 Deep contextualized word representation 」。

該算法的精髓是：用語言模型訓練神經網絡，在使用word embedding 時，單詞已經具備上下文信息，這個時候神經網絡可以根據上下文信息對word embedding 進行調整，這樣經過調整之後的word embedding 更能表達在這個上下文中的具體含義，這就解決了靜態詞向量無法表示多義詞的問題。

網絡模型


過程

  1. 上圖中的結構使用字符級卷積神經網絡（convolutional neural network, CNN）來將文本中的詞轉換成原始詞向量（raw word vector） ；
  2. 將原始詞向量輸入雙向語言模型中第一層 ；
  3. 前向迭代中包含了該詞以及該詞之前的一些詞彙或語境的信息（即上文）；
  4. 後向迭代中包含了該詞以及該詞之後的一些詞彙或語境的信息（即下文） ；
  5. 這兩種迭代的信息組成了中間詞向量（intermediate word vector）；
  6. 中間詞向量被輸入到模型的下一層 ；
  7. 最終向量就是原始詞向量和兩個中間詞向量的加權和；

效果

如上圖所示：

  • 使用glove訓練的詞向量中，與 play 相近的詞大多與體育相關，這是因為語料中與play相關的語料多時體育領域的有關；
  • 在使用elmo訓練的詞向量中，當 play 取 演出 的意思時，與其相近的也是 演出 相近的句子；

4結語

  1. 現在深度學習在NLP 領域中使用的大多是分佈式詞向量；
  2. 分佈式詞向量的理論基礎是語言模型；
  3. 在進行詞向量選擇時，要考慮到具體任務的特性，word2vec、glove、elmo訓練的詞向量各有優缺點，並沒有哪一種比另兩種效果好很多。

本文轉自公眾號 AI 研習社，原文地址