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文本向量化 介绍

作者：2023面试高手 | 2024-04-26 09:46:00

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文本向量化

学习笔记来源：Python文本挖掘视频教程

补充文献：

从离散到分布，盘点常见的文本表示方法

文本向量化（理论篇）

文章目录

1 文档信息的向量化

所谓文档信息的向量化，就是将信息数值化，从而便于进行建模分析

自然语言处理面临的文本数据往往是非结构化杂乱无章的文本数据，而机器学习算法处理的数据往往是固定长度的输入和输出。因而机器学习并不能直接处理原始的文本数据。必须把文本数据转换成数字，比如向量。

因此

文本表示的意思是把字词处理成向量或矩阵，以便计算机能进行处理。文本表示是自然语言处理的开始环节。

文本表示按照细粒度划分，一般可分为字级别、词语级别和句子级别的文本表示。

文本表示分为离散表示和分布式表示。离散表示的代表就是词袋模型，one-hot（也叫独热编码）、TF-IDF、n-gram都可以看作是词袋模型。分布式表示也叫做词嵌入（word> embedding），经典模型是word2vec，还包括后来的Glove、ELMO、GPT和最近很火的BERT。
（引自：https://blog.csdn.net/nc514819873/article/details/89444948）

也就是

常见的文本表示模型有One-hot、词袋模型（BOW）、TF-IDF、N-Gram和Word2Vec

1.1 文档信息的离散表示

1.1.1 One-Hot独热编码表示法

One-Hot几乎是最早的用于提取文本特征的方法，将文本直接简化为一系列词的集合，不考虑其语法和词序关系，每个词都是独立的。

特征提取方法: one-hot 和 TF-IDF

例1

可以用one-hot编码的方式将句子向量化

对类别数据做one_hot_encoding编码处理
在这里插入图片描述
处理后
在这里插入图片描述
例2
在这里插入图片描述

1.1.2 词袋模型Bag of Words（BOW)

在One-Hot 表示法的基础上，对词表中的每一个词在该文本出现的频次进行记录，以表示当前词在该文本的重要程度。

词袋模型假设我们不考虑文本中词与词之间的上下文关系，仅仅只考虑所有词的权重。而权重与词在文本中出现的频率有关。

词袋模型的三部曲：分词（tokenizing），统计修订词特征值（counting）与标准化（normalizing）。

词袋模型中词和文本的关系就相当于文本是一个袋子，词只是直接装在袋子里

显然，词袋模型是比较简单的模型，对文本中的信息有较多丢失，但已经可以解决很多实际问题，词袋模型的提出最初是为了解决文档分类问题，目前主要应用在NLP、IR、CV等领域

优点：

  • 解决了分类器不好处理离散数据的问题
  • 在一定程度上也起到了扩充特征的作用

缺点：

  • 不考虑词与词之间的顺序
  • 它假设词与词相互独立（在大多数情况下，词与词是相互有关联的）
  • 它得到的特征是离散稀疏的（维度的灾难）

词袋模型的gensim实现

Gensim是一款开源的第三方Python工具包，用于从原始的非结构化的文本中，无监督地学习到文本隐层的主题向量表达。它支持包括TF-IDF，LSA，LDA，和word2vec在内的多种主题模型算法，支持流式训练，并提供了诸如相似度计算，信息检索等一些常用任务的API接口。

基本概念
语料（Corpus）：一组原始文本的集合，用于无监督地训练文本主题的隐层结构。语料中不需要人工标注的附加信息。在Gensim中，Corpus通常是一个可迭代的对象（比如列表）。每一次迭代返回一个可用于表达文本对象的稀疏向量。

向量（Vector）：由一组文本特征构成的列表。是一段文本在Gensim中的内部表达。

稀疏向量（Sparse> Vector）：通常，我们可以略去向量中多余的0元素。此时，向量中的每一个元素是一个(key, value)的tuple。

模型（Model）：是一个抽象的术语。定义了两个向量空间的变换（即从文本的一种向量表达变换为另一种向量表达）。（引自：https://www.cnblogs.com/iloveai/p/gensim_tutorial.html）

建立字典
Dictionary类用于建立word<->id映射关系，把所有单词取一个set（），并对set中每个单词分配一个ld号的map

Dictionary类属性

from gensim. corpora import Dictionary 
texts=[[' human',' interface',' computer']]
dct=Dictionary(texts)# fit dictionary dct. num nnz

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向字典中增加词条

dct.add_documents([["cat","say","meow"],["dog"]])
dct.token2id

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id 号增加了3、4、5、6
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转换为BOW稀疏向量

稀疏向量（Sparse> Vector）：通常，我们可以略去向量中多余的0元素。此时，向量中的每一个元素是一个(key, value)的tuple。

转换为BOW格式：list of（token_id，token_count）

dct.doc2bow（
		document：用于转换的词条list
		allow update=False：是否直接更新所用字典
		return missing=False：是否返回新出现的（不在字典中的）词
）

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例如

现在已有的字典词包括

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  • 若return_missing=false，则输出的稀疏向量为
    在这里插入图片描述
    表明在文档中id为3，6的词汇各出现了1次，其他词汇则没有出现

  • 若return_missing=True，返回新出现的（不在字典中的）词
    在这里插入图片描述

转换为BOW长向量

按照输入1ist的顺序列出所出现的各词条ID

doc2idx(
		document：用于转换的词条list
		unknown_word_index=-1：为不在字典中的词条准备的代码
)

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字典中没有这个词就返回 -1
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1.1.3 生成 文档词条矩阵

基本思路：

首先是将原始文档进行分词并清理，拼接为同一个df，汇总并转换为文档-词条矩阵格式，去除低频词

1.1.3.1 用sklearn库实现

CountVectorizer类，通过这一类中的功能，可以很容易地实现文本的词频统计与向量化。。

它主要是把新的文本转化为特征矩阵，只不过这些特征是已经确定过的。而这个特征序列是前面的fit_transfome()输入的语料库确定的特征。

class sklearn.feature_extraction.text.CountVectorizer(
						input=’content’, 
						encoding=’utf-8’, 
						decode_error=’strict’, 
						strip_accents=None, 
						lowercase=True, 
						preprocessor=None, 
						tokenizer=None, 
						stop_words=None, 
						token_pattern=’(?u)\b\w\w+\b’, 
						ngram_range=(1, 1), 
						analyzer=’word’, 
						max_df=1.0, 
						min_df=1, 
						max_features=None, 
						vocabulary=None, 
						binary=False, 
						dtype=<class ‘numpy.int64’>)

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比较重要的参数：

①min_df / max_df

词频绝对值/比例的阈值，在此范围之外的将被剔除。小数格式说明提供的是百分比，如0.05指的就是5%的阈值。其详细含义如下

  • max_df：浮点数，取值范围[0.0,1.0]或整数，默认值为1.0,当构建词汇表时，词语文档频率高于max_df，则被过滤。当为整数时，词语文档频次高于max_df时，则被过滤。当vocabulary不是None时，该参数不起作用

  • min_df：浮点数，取值范围[0.0,1.0]或整数，默认为1，该参数除了指下限其他都同max_df

比如

min_df = 10，指的是至少有10个文档包含这个词条，才会保留
max_df= 30，指的是如果超过30个文档包含这个词条，将会被提剔除

②max_features

整数或None，默认为None。根据term frequence排序后的vocabulary的前max_features个词作为vocabulary。如果参数vocabulary不是None，则该参数不起作用

其他参数：https://zhuanlan.zhihu.com/p/59413389

CountVectorizer.fit_transform(raw_documents)

对文档进行学习（处理），返回term-document matrix
等价于先调用fit函数，然后再调用transform函数，但是效率更高

from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer
countvec = CountVectorizer() 
x=countvec.fit_transform(['郭靖 和 哀牢山 三十六 剑 。', '黄蓉 和 郭靖 郭靖']) # 一次搞定
type(x)
x.todense() # 将稀疏矩阵直接转换为标准格式矩阵
countvec.get_feature_names() # 词汇列表，实际上就是获取每个列对应的词条
countvec.vocabulary_ # 词条字典

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countvec = CountVectorizer(min_df = 2)
在两个以上文档中出现的才保留 或者 如果最小词频小于2将会被剔除
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将1000条评论数据向量化

import pandas as pd
import numpy as np
import os

os.chdir(r'C:\Users\Administrator\Desktop')
df = pd.read_excel('评论.xlsx')
df.head()

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# 加载停用词
stop_words = [] 
with open(r"C:\\Users\\Administrator\\Desktop\\chineseStopWords.txt", 'r') as f:
   lines = f.readlines()
   for line in lines:
       stop_words.append(line.strip())
stop_words[:10]

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# 分词并去除停用词和短词
import jieba 

def my_cut(text): 
    return [w for w in jieba.cut(text) if w not in stop_words and len(w)>1]

rawchap = [ " ".join(my_cut(w)) for w in df['评论']] 
rawchap

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from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer
countvec = CountVectorizer(min_df = 5) # 如果最小词频小于5将会被剔除

res = countvec.fit_transform(rawchap)
res.todense()

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countvec.get_feature_names()

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1.1.4 从词袋模型到N-gram（离散表示）

词袋模型完全无法利用语序信息

比如：我帮你vs你帮我

P(我帮你) = P(我) * P(帮) * P(你)

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Bi-gram：进一步保留顺序信息，两个两个词条一起看，可以保留更多的文本有效信息

P(我帮你) = P(我) * P(帮|我) * P(你|帮)

{“我帮”：1，“帮你”：2“你帮”：3“帮我“：4}

我帮你>[1，1，0，0]
你帮我>[0，0，1，1]

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以此类推

从Bi-gram到N-gram，考虑更多的前后词

可以直接扩展至trigram、4-gram直至N-gram

N-gram模型就是基于马尔科夫假设，下一个词的出现仅依赖前面的一个或n个词

当N=1时称为unigram，N=2称为bigram，N=3称为trigram，假设下一个词的出现依赖它前面的一个词，即 bigram，假设下一个词的出现依赖它前面的两个词，即 trigram，以此类推。

  • 优点：
    考虑了词的顺序，信息量更充分
    长度达到5之后，效果有明显提升

  • 缺点：
    词表迅速膨胀，数据出现大量的稀疏化问题
    每增加一个词，模型参数增加40万倍

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1.2 文档信息的分布式表示（连续表示）

离散表示方式面临无法衡量词向量之间的关系的问题，比如无法区分近义词（老公、丈夫、当家的…），每一个词都是用不同的向量表示，各种度量（与或非、距离）都不合适，只能靠人工字典进行补充。并且 词表维度随着语料库增长膨胀

1.2.1 什么是分布式表示

从大量的文本中反复发现相关联的上下文信息

引用：NLP模型笔记 — 分布式表示

离散表示
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分布式表示

在这里插入图片描述

引用：http://www.pinlue.com/article/2019/07/2022/189350673206.html

分布式表示的概念(由很多元素组合的表示，这些元素之间可以设置成可分离的，相互独立的)是表示学习最重要的工具之一。分布式表示非常强大，因为他们能够用具有k个值的n个特征去描述k^n个不同的概念。

将分布式表示用于NLP

  • 不直接考虑词与词在原文中的相对位置、距离、语法结构等，先把每个词看作一个单独的向量
  • 根据一个词在上下文中的临近词的含义，应当可以归纳出词本身的含义
  • 单个词的词向量不足以表示整个文本，能表示的仅仅是这个词本身

分布式表示

  • 词之间存在相似关系

  • 包含更多信息

  • 事先决定用多少维度的向量来表示这个词条

    • 维度以50维和100维比较常见
    • 向量中每个维度的取值由模型训练来决定，且不再是唯一的
      [0.762，0.107，0.307，-0.199，0.521，…]
      ·

  • 所有的词都在同一个高维空间中构成不同的向量

    • 从而词与词之间的关系就可以角空间中的距离来加以表述（比如经过训练发现伦敦、英国与巴黎、法国相对距离与关系类似）

  • 所有训练方法都是在训练语言模型的同时，顺便得到词向量的

总之，分布式表示实际上就是指用特征来表示，利用上下文信息，或者更具体一点，与一个词前后相邻的若干个词，来提取出这个词的特征向量。

只要数据量足够，分布式表示方法挖掘信息的能力更强大

1.2.2 共现矩阵

词文档的共现矩阵主要用于发现主题(topic)，用于主题模型

考虑上下文位置信息

·I like deep learning.
·I like NLP.
·I enjoy modeling.

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  • 确定取词长度，取词长度为1的结果

  • 窗囗长度越长，则信息量越丰富，但数据量也越大

  • 共现矩阵的行/列数值自然就表示出各个词汇的相似度，从而可以用作分析向量

共现矩阵存在的问题

  1. 如果将共现矩阵行（列）直接作为词向量
  2. 向量维数随着词典大小线性增长
  3. 存储整个词典的空间消耗非常大
  4. 一些模型如文本分类模型会面临稀疏性问题
  5. 高度的稀疏性导致模型会欠稳定

也就是面临稀疏性问题、向量维数随着词典大小线性增长

解决办法：SVD、PCA降维，但是计算量大

例如
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1.2.3 NNLM模型

NNLM是从语言模型出发(即计算概率角度)，构建神经网络针对目标函数对模型进行最优化，训练的起点是使用神经网络去搭建语言模型实现词的预测任务，并且在优化过程后模型的副产品就是词向量。（引自：https://blog.csdn.net/maqunfi/article/details/84455434）

使用非对称的前向窗函数，窗长度为n-1滑动窗囗遍历整个语料库求和，计算量正比于语料库大小

整个网络由输入层、投射层、隐含层、输出层构成

输入：（N-1）个前向词，one-hot方式表示，只有对应的位置为1

输入层是（N-1）*M维向量

计算量仍然比较大
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一个文本，由N个词语组成，现在呢：想根据 前N个词语 来预测 第N个词语 是啥？
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1.2.4 Word2vec

首先了解什么是什么是Word2Vec

这里参考word2vec概述

这篇文章是这样解释的：

Word2Vec，顾名思义，就是把一个 word 变成一个 vector。其实，早在 Word2Vec出来之前，就已经有很多人思考这个问题了。而用的最多的方法大概是 TF-IDF 这类基于频率的方法。不过这类方法有什么问题呢？一个很明显的缺陷是，这些方法得到的向量是没有语义的，比如说，对于「苹果」、「香蕉」、「可乐」这三个词来说，「苹果」和「香蕉」表示的向量应该比「可乐」更加相似，这种相似有很多衡量方法（比如「欧式距离」或「余弦相似性」），但用频率的方法是很难体现这种相似性的。而Word2Vec 就是为了解决这种问题诞生的。

因此，对于Word2Vec其实是语言模型中的一种，它是从大量文本预料中以无监督方式学习语义知识的模型，被广泛地应用于自然语言处理中。（深入浅出Word2Vec原理解析）

其基本思想

Word2Vec 主要就是利用上下文信息，或者更具体一点，与一个词前后相邻的若干个词，来提取出这个词的特征向量。

改为用上下文的词汇来同时预测中间词，滑动时使用双向上下文窗口

在这里插入图片描述

  • 输入层：仍然直接使用词袋BOW方式表示

  • 投射层：
    对向量直接求和（平均），以降低向量维度
    实质上是去掉了投射层

  • 隐含层：直接去除

  • 本质上只是一个线性分类器

  • 短语料不适合用word2vec来分析（比如购物评论、微博这种，需要大语料才能有较好的作用）

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

为了利用这种上下文信息，Word2Vec 采用了两种具体的实现方法，分别是 CBOW 和Skip-grams。这两种方法本质上是一样的，**都是利用句子中相邻的词，训练一个神经网络。**它们各有优劣，因此各自实现的 Word2Vec> 的效果也各有千秋。
引自：word2vec概述

在这里插入图片描述

其网络的基本结构大概是这个样子

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
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1.2.5.1 降低运算量：分层softmax

结果向量太大，数十万维度：在几十万个词条中预测哪一个会出现，所以考虑使用Huffman Tree来编码输出层的词典。哈夫曼树，又称最优二叉树，是一类带权路径长度最短的树，将结果输出转化为树形结构，改用分层softmax，在每一个分叉时，将问题转换为二分类预测，每次预测都会有概率结果提供，将概率连乘，就构成了似然函数

Word2Vec原理之层次Softmax算法

图片来自：https://blog.csdn.net/qq_36775458/article/details/100672324
下图是以词w为”足球“为例：
在这里插入图片描述
输出层变成一颗树形二叉树，其实，输出层有V-1个节点

图片来自：机器学习详解系列（二十五）：Word2Vec

在这里插入图片描述

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1.2.5.2 降低运算量：负例采样

一个正样本，V-1个负样本，显然负样本比例太高，考虑对负样本做抽样，基于词出现的频率进行加权采样，一般取词频的0.75次方用于加权，以便够让低频词多一些出场机会

Word2Vec仍然存在的问题

  • 只是利用了每个局部上下文窗囗信息进行训练，没有利用包含在全局矩阵中的统计信息
    ·GloVe（Global Vectors for Word Representation），用全局信息去编码词向量，但是应用还不多

  • 对多义词无法很好的表示和处理，因为使用了唯一的词向量

至此

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