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零基础入门NLP – 基于深度学习的文本分类2

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介绍

 

在上一节中, 介绍了FastText中的两种词向量方法, CBoW和Skip-gram. 这里我们介绍一种类似的方法word2vec, 并使用Gensim来训练我们的word2vec.

 

word2vec

 

来自Google的Tomas Mikolov等人于2013年在论文 Distributed Representations of Words and Phrases and their Compositionality 中提出了word2vec词表示方法, word2vec可以分为两种CBoW和Skip-gram模型, 但和上一节中提到的CBoW和Skip-gram有所不同.

 

可以设想, 按照上一节的思路, 我们训练CBoW或Skip-gram模型, 最终网络输出的是每个词概率分布(softmax的输出), 而通常而言, 我们的字典都包含了大量的词, 这会导致大量的softmax计算, 显然, 这是很难接受的. 那幺如何提高效率呢.

 

下面就介绍两种提高效率的两种方法

 

Hierarchical Softmax

 

word2vec也使用了CBoW和Skip-gram来训练模型, 但并没有采用传统的DNN结构.

 

最先优化使用的数据结构是用霍夫曼树来代替隐藏层和输出层的神经元,霍夫曼树的叶子节点起到输出层神经元的作用,叶子节点的个数即为词汇表的小大。 而内部节点则起到隐藏层神经元的作用。

 

具体如何用霍夫曼树来进行CBOW和Skip-Gram的训练我们在下一节讲,这里我们先复习下霍夫曼树。

 

霍夫曼树的建立其实并不难,过程如下:

 

输入:权值为(w1,w2,…wn)的n个节点

 

输出:对应的霍夫曼树

 

 

    1. 将(w1,w2,…wn)看做是有n棵树的森林,每个树仅有一个节点。

 

    1. 在森林中选择根节点权值最小的两棵树进行合并,得到一个新的树,这两颗树分布作为新树的左右子树。新树的根节点权重为左右子树的根节点权重之和。

 

    1. 将之前的根节点权值最小的两棵树从森林删除,并把新树加入森林。

 

    1. 重复步骤2和3直到森林里只有一棵树为止。

 

 

下面我们用一个具体的例子来说明霍夫曼树建立的过程,我们有(a,b,c,d,e,f)共6个节点,节点的权值分布是(20,4,8,6,16,3)。

 

首先是最小的b和f合并,得到的新树根节点权重是7.此时森林里5棵树,根节点权重分别是20,8,6,16,7。此时根节点权重最小的6,7合并,得到新子树,依次类推,最终得到下面的霍夫曼树。

 

 

一般得到霍夫曼树后我们会对叶子节点进行霍夫曼编码,由于权重高的叶子节点越靠近根节点,而权重低的叶子节点会远离根节点,这样我们的高权重节点编码值较短,而低权重值编码值较长。这保证的树的带权路径最短,也符合我们的信息论,即我们希望越常用的词拥有更短的编码。如何编码呢?一般对于一个霍夫曼树的节点(根节点除外),可以约定左子树编码为0,右子树编码为1.如上图,则可以得到c的编码是00。

 

假设字典包含$N$个词, 则使用哈夫曼二叉树之前的softmax层的复杂度为$O(N)$, 而使用哈夫曼二叉树后, 复杂度降为$O(log(N))$.

 

Negative Sample

 

Hierarchical Softmax确实可以在很大程度上提高模型的效率, 使用霍夫曼树来代替传统的神经网络,可以提高模型训练的效率。但是如果我们的训练样本里的中心词w是一个很生僻的词,那幺就得在霍夫曼树中辛苦的向下走很久了。能不能不用搞这幺复杂的一颗霍夫曼树,将模型变的更加简单呢?

 

nagative sampling(负采样)就是一种替代Hierarchical softmax的方法.

 

比如我们有一个训练样本,中心词是$w$,它周围上下文共有2c个词,记为context(w)。由于这个中心词w,的确和context(w)相关存在,因此它是一个真实的正例。通过Negative Sampling采样,我们得到neg个和w不同的中心词$w_i,i=1,2,..neg$,这样context(w)和$w_i$就组成了neg个并不真实存在的负例。利用这一个正例和neg个负例,我们进行二元逻辑回归,得到负采样对应每个词$w_i$对应的模型参数$\theta_i$,和每个词的词向量。

 

从上面的描述可以看出,Negative Sampling由于没有采用霍夫曼树,每次只是通过采样neg个不同的中心词做负例,就可以训练模型,因此整个过程要比Hierarchical Softmax简单。

 

具体细节可以查阅paper

 

使用gensim训练word2vec

 

导入库

 

import logging
import random
import numpy as np
import torch
logging.basicConfig(level=logging.INFO, format='%(asctime)-15s %(levelname)s: %(message)s')
# set seed 
def seed_all(seed):
    random.seed(seed)
    np.random.seed(seed)
    torch.cuda.manual_seed(seed)
    torch.manual_seed(seed)
    
seed_all(0)

 

划分数据

 

# split data to 10 fold
fold_num = 10
data_file = '../data/train_set.csv'
import pandas as pd
def all_data2fold(fold_num, num=10000):
    fold_data = []
    f = pd.read_csv(data_file, sep='\t', encoding='UTF-8')
    texts = f['text'].tolist()[:num]
    labels = f['label'].tolist()[:num]
    total = len(labels)
    index = list(range(total))
    np.random.shuffle(index)
    all_texts = []
    all_labels = []
    for i in index:
        all_texts.append(texts[i])
        all_labels.append(labels[i])
    label2id = {}
    for i in range(total):
        label = str(all_labels[i])
        if label not in label2id:
            label2id[label] = [i]
        else:
            label2id[label].append(i)
    all_index = [[] for _ in range(fold_num)]
    for label, data in label2id.items():
        # print(label, len(data))
        batch_size = int(len(data) / fold_num)
        other = len(data) - batch_size * fold_num
        for i in range(fold_num):
            cur_batch_size = batch_size + 1 if i < other else batch_size
            # print(cur_batch_size)
            batch_data = [data[i * batch_size + b] for b in range(cur_batch_size)]
            all_index[i].extend(batch_data)
    batch_size = int(total / fold_num)
    other_texts = []
    other_labels = []
    other_num = 0
    start = 0
    for fold in range(fold_num):
        num = len(all_index[fold])
        texts = [all_texts[i] for i in all_index[fold]]
        labels = [all_labels[i] for i in all_index[fold]]
        if num > batch_size:
            fold_texts = texts[:batch_size]
            other_texts.extend(texts[batch_size:])
            fold_labels = labels[:batch_size]
            other_labels.extend(labels[batch_size:])
            other_num += num - batch_size
        elif num < batch_size:
            end = start + batch_size - num
            fold_texts = texts + other_texts[start: end]
            fold_labels = labels + other_labels[start: end]
            start = end
        else:
            fold_texts = texts
            fold_labels = labels
        assert batch_size == len(fold_labels)
        # shuffle
        index = list(range(batch_size))
        np.random.shuffle(index)
        shuffle_fold_texts = []
        shuffle_fold_labels = []
        for i in index:
            shuffle_fold_texts.append(fold_texts[i])
            shuffle_fold_labels.append(fold_labels[i])
        data = {'label': shuffle_fold_labels, 'text': shuffle_fold_texts}
        fold_data.append(data)
    logging.info("Fold lens %s", str([len(data['label']) for data in fold_data]))
    return fold_data

fold_data = all_data2fold(10)

 

训练word2vec

 

# build train data for word2vec
fold_id = 9
train_texts = []
for i in range(0, fold_id):
    data = fold_data[i]
    train_texts.extend(data['text'])
    
logging.info('Total %d docs.' % len(train_texts))

 

logging.info('Start training...')
from gensim.models.word2vec import Word2Vec
num_features = 100     # Word vector dimensionality
num_workers = 8       # Number of threads to run in parallel
train_texts = list(map(lambda x: list(x.split()), train_texts))
model = Word2Vec(train_texts, workers=num_workers, size=num_features)
model.init_sims(replace=True)
# save model
model.save("./word2vec.bin")

 

加载模型

 

# load model
model = Word2Vec.load("./word2vec.bin")
# convert format
model.wv.save_word2vec_format('./word2vec.txt', binary=False)

 

总结

 

word2vec使用了CBoW和Skip-gram模型, 但又和它们有所不同, word2vec提出了2种不同的方式来解决概率输出层复杂度过高的问题.

 

水平有限, 有关Hierarchical Softmax​和Negative sample的具体实现方式以及训练细节有待进一步探索. 只能之后有时间再好好读一读paper了.

 

Reference

 

[1] paper link

 

[2] 使用gensim训练word2vec

 

[3] word2vec原理(二) 基于Hierarchical Softmax的模型

 

[4] word2vec原理(三) 基于Negative Sampling的模型

 

[5] gensim train word2vec tutorial

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