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Word2vec词向量

2022-08-02 14:07:00 【lq_fly_pig】

前文也零散的写了些关于神经网络模型的篇幅，如NNLM，本文着重讲解有关词向量的内容，从静态词向量到动态词向量等，其实相关的内容，网上也有很多，本人主要是为了做些记录和巩固下基础的知识点

一、词向量概述

前面篇幅中介绍了NNLM 神经网络语言模型的计算原理，NNLM生成的产物初始化的矩阵也可以作为词向量。基于NNLM(神经网络语言模型)预训练方法存在一个问题，主要是通过 t 时刻的单词预测t+1时刻的单词，只能通过历史信息预测未来时刻的信息，损失了当前单词与"未来"单词之间的共现信息

本篇介绍新的词向量预训练方法——Word2Vec，其中包括skip-gram模型和CBOW（Continuous Bags of Words）模型，这两种模型是2013年提出，严格上来讲不算是语言模型，因为其是基于词语与词语之间的共现信息实现词向量的学习。不再是基于整句(句子长度为n )中前 n-1个单词预测第n个单词

1.1 CBOW模型

输入一句query，CBOW的中心思想是，根据上下文预测目标词汇，例如query为，... $_{Wt-2}$ , $_{Wt-1}$ , $_{Wt}$ , $_{Wt+1}$ , $_{Wt+2}$ .... CBOW的任务就是根据 $_{Wt}$ 的上下文 $_{Ct}$ = { $_{Wt-2}$ , $_{Wt-1}$ , $_{Wt+1}$ , $_{Wt+2}$ } 来预测 t 时刻的单词 $_{Wt}$ , 由于窗口大小设置为5 所以 $_{Wt}$ 的上下文文本中包含4个单词。从上文中NNLM的文章得到 NNLM训练词向量的思想是，按照query的顺序进行输入前 n-1 个 word 来预测第 n 个word ，但是

CBOW模型不考虑上下文的顺序，因此CBOW模型也算是一个词袋子模型,后续有人验证按照顺序输入在某些特定的任务(词性标注、句法分析)等表现更好

(1). 输入层，以大小为5的窗口，在目标词的左边和右边各选择2个词语，作为模型的输入，输入层是由4个维度为词表长度的 |V|的 one-hot表示

(2). 初始化一个矩阵 E，维度为{V，dim}, dim 表示词向量维度，一般（50-300）之间,V表示的是词表的长度。矩阵E类似于tensorflow中的 look_up操作。如下图所示：

(3).对上下文词向量取平均，就得到了 $_{Wt}$ 的上下文表示 $_{Vt}$ ，使用 $_{Wi}$ 表示单个word对应的列向量:

$_{Vt}=\frac{1}{|_{Ct}|}\sum_{n}^{i}(_{Wi})$

(4).输出层，对目标词汇进行预测，进行多分类预测，分类的类别大小为词汇的size 大小 |V|，损失函数为常见的交叉熵损失函数

1.2 skip-gram模型

skip-gram 模型和CBOW模型反过来，使用当前词汇预测上下文词汇，使用 $_{Wt}$ 词汇预测上下文信息， $_{Wt-2}$ , $_{Wt-1}$ , $_{Wt+1}$ , $_{Wt+2}$ ，上下文中每一个词语当做独立的词汇进行预测，因此skip-gram模型是计算词与词之间的共现关系， $P(_{Wt+j}|_{Wt})$

具体运算过程如下所示:

1.原始文本为“The quick brown fox jumps over the laze dog”，设置窗口大小为2;上图中蓝色的word 为目标词汇，右边的 Training Samples为构建的训练样本

2.从上文中发现一个问题，就是很多常见类似于"the" 这种词汇对于其上下文并不能带来很多有用的语义信息,因为几乎很多词汇中都会出现"the"这个单词,对于这种高频的词汇，原论文中使用的是通过抽样来删除该类单词;基本思想是，对于一开始训练的单词，每一个单词都有一定概率被删除，概率和单词出现的频率有关。

3.对于输出层也是类似于 NNLM的方式进行多分类预测，使用交叉熵进行损失迭代

二、负采样

2.1 CBOW和skip-gram模型的问题

我们从上文中的思路得到具体的流程如下：

从章节一中，我们知道了 skip-gram和CBOW模型的输入层，词向量层，输出层，其中我们知道最终的预测是多分类，分类的类别数量和词汇的size相关，词汇表很大导致，训练过程中的矩阵很大，严重影响训练的效率

2.2 skip-gram模型的负采样训练

针对训练的效率问题，skip-gram 采用负采样来加速训练，具体例子如下：

如：当前词汇是 quick,目标词汇是 brow，假设词汇表的大小是10000,在模型的输出层是10000分类，单词brow的score得分最高，其他的9999的分类的score较低。对于这些9999得分低的单词我们称之为 "negative " word.

负采样的方法提供一种新的任务视角：给定当前词语和其上下文。最大化两者之间的共现概率，问题简化成一种二分类问题，也就是说 quick—> brown 的分类为1， quick—>dong 的分类为0

对于 "negative " word 的选择，一个单词被选作negative sample的概率跟它出现的频次有关，出现频次越高的单词越容易被选作negative words，原来论文中指的是使用"一元分布模型"，一般的情况 "negative " word 选择（5-20）个

2.3 word2vec无法处理一词多义

由上文得到 bank有银行的意思，也有河岸的意思，对于这种静态词向量无法表达其多义性

三、总结以及代码展示

3.1总结

1.CBOW 是通过上下文进行预测当前值

2. SKip-gram 是通过当前值来预测上下文

优点: (1).考虑到上下文，跟之前的Embedding 相比，效果更好

(2).相比较之前的Embedding 维度更少，速度更快

(3). 通用性较强，使用于各种NLP任务中

缺点：(1).词和向量是一对一的关系，无法处理多义词问题

(2).word2vec 是一种静态方式，无法处理特定任务做动态优化

3.2 代码展示

#code by 2021.8.1
# learning by https://github.com/graykode

import numpy as np
from numpy import random
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import pdb

batch_size = 2 # mini-batch size
embedding_size = 2 # embedding size

##随机选取 训练数据 从skip_gram中选取
def random_batch():
    
    random_inputs = []
    random_labels = []
    random_index = np.random.choice(range(len(skip_gram)),batch_size,replace=False) ## 选取 len(skip_gram) 范围内 batch_size长度的数组

    for i in random_index:
        random_inputs.append(np.eye(voc_size)[skip_gram[i][0]]) ## skip_gram[i][0] 表示的是获取 中心词  target
        ### np.eye(voc_size) 表示的是 生成one-hot的向量 大小是 voc_size * voc_size ，word2vec的数据输入是one-hot的形式
        random_labels.append(skip_gram[i][1])

    return random_inputs, random_labels

class word2vec(nn.Module):
    def __init__(self) -> None:
        super().__init__()
        self.W = nn.Linear(voc_size,embedding_size,bias=False)  ## word-embedding的 初始化
        self.WT = nn.Linear(embedding_size,voc_size,bias=False) ## fc 输出
        
    def forward(self,X):
        ### X [batch_size , voc_size]  one-hot 编码

        hidden_layers = self.W(X)
        out_layers = self.WT(hidden_layers)
        return out_layers

if __name__ == '__main__':


    ### 训练数据 
    sentences = ["apple banana fruit", "banana orange fruit", "orange banana fruit",
                 "dog cat animal", "cat monkey animal", "monkey dog animal"]


    word_sequence = " ".join(sentences).split()
    word_list = " ".join(sentences).split()
    word_list = list(set(word_list))  ###所有的字典大小,去重统计 
    word_dict = {w:i for i, w in enumerate(word_list)}
    voc_size = len(word_dict)
    

    ### create skip_gram data and window size = 1  , skip_window = 1, num_skips = 2
    ## skip_window的参数，它代表着我们从当前input word的一侧（左边或右边）选取词的数量
    # 另一个参数 num_skips ，表示从 window中选取多少个不同的 词 作为训练数据

    skip_gram = []
    for i in range(1,len(word_sequence) -1):
        target = word_dict[word_sequence[i]]  ## 当前的 word
        context = [word_dict[word_sequence[i-1]],word_dict[word_sequence[i+1]]] ##获取前后的 words 
        for w in context:
            skip_gram.append([target,w])
    
    model = word2vec()

    loss_fuc = nn.CrossEntropyLoss() ## 交叉熵 损失
    optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)  ## 定义优化器

    for epoch in range(50000):

        input_batch, target_batch = random_batch()
        input_batch = torch.Tensor(input_batch)
        target_batch = torch.LongTensor(target_batch)

        # pdb.set_trace()
        ## input_batch  shape = [2,8]  target_batch  shape = [2] 
        optimizer.zero_grad() ## 优化器初始化 梯度值设置为0
        output = model(input_batch) ## output : [batch_size, voc_size]

        loss = loss_fuc(output,target_batch)

        if(epoch + 1) % 1000 == 0:
            print(' Epoch:','%04d'%(epoch + 1), 'loss = ','{:.6f}'.format(loss))
        
        loss.backward() ## 反向传播
        optimizer.step() ## 每一步更新参数

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