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NLP实战之基于TFIDF的文本相似度计算

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TFIDF算法介绍

 

TF-IDF(Term Frequency–InverseDocument Frequency)是一种用于资讯检索与文本挖掘的常用加权技术。TF-IDF的主要思想是:如果某个词或短语在一篇文章中出现的频率TF高,并且在其他文章中很少出现,则认为此词或者短语具有很好的类别区分能力,适合用来分类。

 

TF-IDF实际是TF*IDF,其中TF(Term Frequency)表示词条在文档中的出现的频率,TF的计算公式如下所示:

 

其中IDF(InverseDocument Frequency)表示总文档与包含词条t的文档的比值求对数,IDF的计算公式如下所示:

 

其中为所有的文档总数,表示文档是否包含词条,若包含为1,不包含为0。但此处存在一个问题,即当词条在所有文档中都没有出现的话IDF计算公式的分母为0,此时就需要对IDF做平滑处理,改善后的IDF计算公式如下所示:

 

那幺最终词条在文档中的TF-IDF值为:。

 

从上述的计算词条在文档中的TF-IDF值计算可以看出:当一个词条在文档中出现的频率越高,且新鲜度低(即普遍度低),则其对应的TF-IDF值越高。比如现在有一个预料库,包含了100篇()论文,其中涉及包含推荐系统()这个词条的有20篇,在第一篇论文()中总共有200个技术词汇,其中推荐系统出现了15次,则词条推荐系统的在第一篇论文()中的TF-IDF值为:

 

更多详细的关于TFIDF的介绍可以参考

 

搜索引擎:文本分类——TF/IDF算法

 

关于TF-IDF的其他实战:

 

基于TF-IDF算法的短标题关键词提取

 

基于TFIDF计算文本相似度

 

这里需要注意的是在spark2.x中默认不支持dataframe的笛卡尔积操作,需要在创建Spark对象时开启。

 

创建spark对象,并设置日志等级

 

// spark.sql.crossJoin.enabled=true spark 2.0 x不支持笛卡尔积操作,需要开启支持
val spark = SparkSession
    .builder()
    .appName("docSimCalWithTFIDF")
    .config("spark.sql.crossJoin.enabled","true")
    .master("local[10]")
    .enableHiveSupport()
    .getOrCreate()
Logger.getRootLogger.setLevel(Level.WARN)

 

这里以官方样例代码中的三行英文句子为例,创建数据集,并进行分词(spark中的中文分词包有很多,比如jieba,han,ansj,fudannlp等,这里不展开介绍)

 

val sentenceData = spark.createDataFrame(Seq(
    (0, "Hi I heard about Spark"),
    (1, "I wish Java could use case classes"),
    (2, "Logistic regression models are neat")
)).toDF("label", "sentence")
val tokenizer = new Tokenizer()
    .setInputCol("sentence")
    .setOutputCol("words")
val wordsData = tokenizer.transform(sentenceData)
wordsData.show(10)

 

展示的结果为:

 

+-----+--------------------+--------------------+
|label|            sentence|               words|
+-----+--------------------+--------------------+
|    0|Hi I heard about ...|[hi, i, heard, ab...|
|    1|I wish Java could...|[i, wish, java, c...|
|    2|Logistic regressi...|[logistic, regres...|
+-----+--------------------+--------------------+

 

调用官方的tfidf包计算向量:

 

// setNumFeatures(5)表示将Hash分桶的数量设置为5个,可以根据你的词语数量来调整,一般来说,这个值越大不同的词被计算为一个Hash值的概率就越小,数据也更准确,但需要消耗更大的内存
val hashingTF = new HashingTF()
    .setInputCol("words")
    .setOutputCol("rawFeatures")
    .setNumFeatures(5)
val featurizedData = hashingTF
    .transform(wordsData)
featurizedData.show(10)
val idf = new IDF()
    .setInputCol("rawFeatures")
    .setOutputCol("features")
val idfModel = idf.fit(featurizedData)
val rescaledData = idfModel.transform(featurizedData)
rescaledData.show(10)
rescaledData.select("label", "features").show()

 

展示的结果为:

 

+-----+--------------------+--------------------+--------------------+
|label|            sentence|               words|         rawFeatures|
+-----+--------------------+--------------------+--------------------+
|    0|Hi I heard about ...|[hi, i, heard, ab...|(5,[0,2,4],[2.0,2...|
|    1|I wish Java could...|[i, wish, java, c...|(5,[0,2,3,4],[1.0...|
|    2|Logistic regressi...|[logistic, regres...|(5,[0,1,3,4],[1.0...|
+-----+--------------------+--------------------+--------------------+
+-----+--------------------+--------------------+--------------------+--------------------+
|label|            sentence|               words|         rawFeatures|            features|
+-----+--------------------+--------------------+--------------------+--------------------+
|    0|Hi I heard about ...|[hi, i, heard, ab...|(5,[0,2,4],[2.0,2...|(5,[0,2,4],[0.0,0...|
|    1|I wish Java could...|[i, wish, java, c...|(5,[0,2,3,4],[1.0...|(5,[0,2,3,4],[0.0...|
|    2|Logistic regressi...|[logistic, regres...|(5,[0,1,3,4],[1.0...|(5,[0,1,3,4],[0.0...|
+-----+--------------------+--------------------+--------------------+--------------------+
+-----+--------------------+
|label|            features|
+-----+--------------------+
|    0|(5,[0,2,4],[0.0,0...|
|    1|(5,[0,2,3,4],[0.0...|
|    2|(5,[0,1,3,4],[0.0...|
+-----+--------------------+

 

其中是向量的一种压缩表示格式,例如表示的是 向量的长度为3,其中第 1位和第2位的值为0.1 和0.3,第3位的值为0。

 

这里需要将其转化为向量的形式,方便后续进行计算,可以直接通过dataframe进行转化,也可以先将dataframe转化为rdd,再进行转化。datafram通过自定义UDF进行转化如下:

 

import spark.implicits._
// 解析数据 转化为denseVector格式 datafra
val sparseVectorToDenseVector = udf {
    features: SV => features.toDense
}
val df = rescaledData
    .select($"label", sparseVectorToDenseVector($"features"))
    .withColumn("tag",lit(1))
df.show(10)

 

展示结果为:

 

+------+--------------------+---+
|label1|           features1|tag|
+------+--------------------+---+
|     0|[0.0,0.0,0.575364...|  1|
|     1|[0.0,0.0,0.575364...|  1|
|     2|[0.0,0.6931471805...|  1|
+------+--------------------+---+

 

先转化为RDD,再进行转化如下:

 

val selectedRDD = rescaledData.select("label", "features").rdd
    .map( l=>( l.get(0).toString, l.getAs[SV](1).toDense))
selectedRDD.take(10).foreach(println)

 

展示结果为:

 

(0,[0.0,0.0,0.5753641449035617,0.0,0.0])
(1,[0.0,0.0,0.5753641449035617,0.28768207245178085,0.0])
(2,[0.0,0.6931471805599453,0.0,0.5753641449035617,0.0])

 

当然也可以在进行相似度计算时进行转化,实现代码如下:

 

// 定义相似度计算udf
import spark.implicits._
val df1 = rescaledData
    .select($"label".alias("id1"), $"features".alias("f1"))
    .withColumn("tag",lit(1))
val df2 = rescaledData
    .select($"label".alias("id2"), $"features".alias("f2"))
    .withColumn("tag",lit(1))
    
val simTwoDoc = udf{
    (f1: SV, f2: SV) => calTwoDocSim(f1,f2)
}
val df =  df1.join(df2, Seq("tag"), "inner")
    .where("id1 != id2")
    .withColumn("simscore",simTwoDoc(col("f1"), col("f2")))
    .where("simscore > 0.0")
    .select("id1","id2","simscore")
df.printSchema()
df.show(20)

 

其中calTwoDocSim 函数实现如下:

 

/**
  * @Author: GaoYangtuan
  * @Description: 自定义计算两个文本的距离
  * @Thinkgamer: 《推荐系统开发实战》作者,「搜索与推荐Wiki」公号负责人,算法工程师
  * @Param: [f1, f2]
  * @return: double
  **/
def calTwoDocSim(f1: SV, f2: SV): Double = {
    val breeze1 =new SparseVector(f1.indices,f1.values, f1.size)
    val breeze2 =new SparseVector(f2.indices,f2.values, f2.size)
    val cosineSim = breeze1.dot(breeze2) / (norm(breeze1) * norm(breeze2))
   cosineSim
}

 

打印结果如下:

 

root
 |-- id1: integer (nullable = false)
 |-- id2: integer (nullable = false)
 |-- simscore: double (nullable = false)
+---+---+------------------+
|id1|id2|          simscore|
+---+---+------------------+
|  0|  1|0.8944271909999159|
|  1|  0|0.8944271909999159|
|  1|  2|0.2856369296406274|
|  2|  1|0.2856369296406274|
+---+---+------------------+

 

最后进行排序和保存,代码如下:

 

val sortAndSlice = udf { simids: Seq[Row] =>
    simids.map{
        case Row(id2: Int,  simscore: Double) => (id2,simscore)
    }
    .sortBy(_._2)
    .reverse
    .slice(0,100)
    .map(e => e._1 + ":" + e._2.formatted("%.3f"))
    .mkString(",")
}
val result = df
    .groupBy($"id1")
    .agg(collect_list(struct($"id2", $"simscore")).as("simids"))
    .withColumn("simids", sortAndSlice(sort_array($"simids", asc = false)))
result.show(10)
result.coalesce(1).write.format("parquet").mode("overwrite").save("data/")

 

打印结果如下:

 

+---+---------------+
|id1|         simids|
+---+---------------+
|  1|0:0.894,2:0.286|
|  2|        1:0.286|
|  0|        1:0.894|
+---+---------------+

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