word2vec原理总结

一篇很好的入门博客，http://mccormickml.com/2016/04/19/word2vec-tutorial-the-skip-gram-model/

他的翻译，https://www.jianshu.com/p/1405932293ea

可以作为参考的，https://blog.csdn.net/mr_tyting/article/details/80091842

有论文和代码，https://blog.csdn.net/mr_tyting/article/details/80091842

word2vector，顾名思义，就是将语料库中的词转化成向量，以便后续在词向量的基础上进行各种计算。

最常见的表示方法是counting 编码。假设我们的语料库中是如下三句话：

I like deep learning
I like NLP
I enjoy flying
利用counting编码，我们可以绘出如下矩阵：

 

假设语料库中的单词数量是N，则上图矩阵的大小就是N*N，其中的每一行就代表一个词的向量表示。如第一行
0 2 1 0 0 0 0
是单词I的向量表示。其中的2代表I这个单词与like这个词在语料库中共同出现了2次。

但是这种办法至少有三个缺陷：

• 1是词语数量较大时，向量维度高且稀疏，向量矩阵巨大而难以存储
• 2是向量并不包含单词的语义内容，只是基于数量统计。
• 3是当有新的词加入语料库后，整个向量矩阵需要更新

尽管我们可以通过SVD来降低向量的维度，但是SVD本身却是一个需要巨大计算量的操作。
很明显，这种办法在实际中并不好用。我们今天学习的skip gram算法可以成功克服以上三个缺陷。它的基本思想是首先将所有词语进行one-hot编码，输入只有一个隐藏层的神经网络，定义好loss后进行训练，后面我们会讲解如何定义loss，这里暂时按下不表。训练完成后，我们就可以用隐藏层的权重来作为词的向量表示！！
这个思想乍听起来很神奇是不是？其实我们早就熟悉它了。auto-encoder时，我们也是用有一个隐藏层的神经网络进行训练，训练完成后，丢去后面的output层，只用隐藏层的输出作为最终需要的向量对象，藉此成功完成向量的压缩。

Word2Vec工作流程

Word2Vec有两种训练方法，一种叫CBOW，核心思想是从一个句子里面把一个词抠掉，用这个词的上文和下文去预测被抠掉的这个词；第二种叫做Skip-gram，和CBOW正好反过来，输入某个单词，要求网络预测它的上下文单词。下面以Skip-gram为例介绍，

1、word2Vec只是一个三层 的神经网络。
2、喂给模型一个word，然后用来预测它周边的词。
3、然后去掉最后一层，只保存input_layer 和 hidden_layer。
4、从词表中选取一个词，喂给模型，在hidden_layer 将会给出该词的embedding repesentation。

用神经网络训练，大体有如下几个步骤：

准备好data，即X和Y
定义好网络结构
定义好loss
选择合适的优化器
进行迭代训练
存储训练好的网络

一、构造训练数据

假设我们的语料库中只有一句话：The quick brown fox jumps over the lazy dog.
这句话中共有8个词（这里The与the算同一个词）。skip gram算法是怎么为这8个词生成词向量的呢？

其实非常简单，（x,y）就是一个个的单词对。比如（the，quick）就是一个单词对，the就是样本数据，quick就是该条样本的标签。
那么，如何从上面那句话中生成单词对数据呢？答案就是n-gram方法。多说不如看图：

我们以词为单位扫描这句话，每扫描到一个词，都把该词左右各两个词共4个词拿出来，分别与被扫描的单词组成单词对，作为我们的训练数据。

这里有两个细节，一个就是取被扫描单词左右各2个词，这里的2被称为窗口尺寸，是可以调整的，用多大的窗口生成的单词对来训练最好，需要具体问题具体分析。一般来说，取5是很好的经验值。也就是左右各取5个单词，共10个单词。第二个细节就是句子头尾的单词被扫描时，其能取的单词对数要少几个，这个不影响大局，不用理会。

这里我们需要停下来细细琢磨下，我们这样取单词对作为训练数据的目的何在？以（fox，jumps）为例，jumps可以理解为fox的上下文，我们将fox输入神经网络时，希望网络能够告诉我们，在语料库的8个单词中，jumps是更可能出现在fox周围的。
你可能会想，（fox，brown）也是一个单词对，它输入神经网络后，岂不是希望神经网络告诉我们，在8个单词中，brown是更可能出现在fox周围？如果是这样，那么训练完成后的神经网络，输入fox，它的输出会是brown和jumps的哪一个呢？
答案是取决于（fox，brown）和（fox，jumps）两个单词对谁在训练集中出现的次数比较多，神经网络就会针对哪个单词对按照梯度下降进行更多的调整，从而就会倾向于预测谁将出现在fox周围。

二、数字化表示单词对

上面我们获得了许多单词对作为训练数据，但是神经网络不能直接接收和输出字符串形式的单词对，所以需要将单词对转化为数字的形式。方法也很简单，就是用one-hot编码，如下图所示：

 

（the，quick）单词对就表示成【（1,0,0,0,0,0,0,0），（0,1,0,0,0,0,0,0）】。这样就可以输入神经网络进行训练了，当我们将the输入神经网络时，希望网络也能输出一个8维的向量，并且第二维尽可能接近1（即接近quick），其他维尽可能接近0。也就是让神经网络告诉我们，quick更可能出现在the的周围。当然，我们还希望这8维向量所有位置的值相加为1，因为相加为1就可以认为这个8维向量描述的是一个概率分布，正好我们的y值也是一个概率分布（一个位置为1，其他位置为0），我们就可以用交叉熵来衡量神经网络的输出与我们的label y的差异大小，也就可以定义出loss了。

3、网络结构
网络结构如下，它的隐藏层并没有激活函数，但是输出层却用了softmax，这是为了保证输出的向量是一个概率分布。

 

4、隐藏层

输出层的神经元应该是8个，这样才能输出一个8维的向量。那么隐藏层的神经元应该是多少？
这取决于我们希望得到的词向量是多少维，有多少个隐藏神经元词向量就是多少维。每一个隐藏的神经元接收的输入都是一个8维向量，假设我们的隐藏神经元有3个（仅仅是为了举例说明使用，实际中，google推荐的是300个，但具体多少合适，需要你自己进行试验，怎么效果好怎么来），如此以来，隐藏层的权重就可以用一个8行3列的矩阵来表示,这个8行3列的矩阵的第一行，就是三个隐藏神经元对应于输入向量第一维的权重，如下图所示：

 

网络训练完成后，这个8行3列的矩阵的每一行就是一个单词的词向量！如下图所示：

网络的输入是one-hot编码的单词，它与隐藏层权重矩阵相乘实际上是取权重矩阵特定的行，如下图所示：

 

这意味着，隐藏层实际上相当于是一个查找表，它的输出就是输入的单词的词向量

5、输出层

当我们从隐藏层获得一个单词的词向量后，就要经过输出层了。
输出层的神经元数量和语料库中的单词数量一样。每一个神经元可以认为对应一个单词的输出权重，词向量乘以该输出权重就得到一个数，该数字代表了输出神经元对应的单词出现在输入单词周围的可能性大小，通过对所有的输出层神经元的输出进行softmax操作，我们就把输出层的输出规整为一个概率分布了。如下图所示：

这里有一点需要注意，我们说输出的是该单词出现在输入单词周围的概率大小，这个“周围”包含单词的前面，也包含单词的后面。

 

前面，我们表示，skip gram算法生成的词向量可以包含语义信息，也就是说，语义相近的词其词向量也相近。这里，我们给一个直觉的解释。
首先，语义相近的词往往有着类似的上下文。这是什么意思呢？举例来说，“聪明”和“伶俐”两个词语义是相近的，那么它们的使用场景也是相似的，它们周围的词很大程度上是相近或相同的。
语义相近的词有着相似的上下文，让我们的神经网络在训练过程中对相近的词产生相近的输出向量。网络如何做到这一点呢？答案就是训练完成后，网络能够对语义相近的词产生相近的词向量。因为此时的输出层已经训练完成，不会改变了。

 

6、负采样

我们知道对于训练语言模型来说，softmax层非常难算，毕竟你要预测的是当前位置是哪个词，那么这个类别数就等同于词典规模，因此动辄几万几十万的类别数，算softmax函数当然很费力啦。但是，如果我们的目标不在于训练一个精准的语言模型，而只是为了训练得到语言模型的副产物-词向量，那么其实只需要用这里隐含的一个计算代价更小的“子任务”就好啦。

 

想一想，给你10000张写有数字的卡片，让你找出其中的较大值，是不是特别费力？但是如果把里面的较大值事先抽出来，跟五张随机抽取的卡片混到一起，让你选出其中的较大值，是不是就容易多啦？

 

负采样就是这个思想，即不直接让模型从整个词表找最可能的词了，而是直接给定这个词（即正例）和几个随机采样的噪声词（即采样出来的负例），只要模型能从这里面找出正确的词就认为完成目标啦。所以这个想法对应的目标函数即：

在tensorflow里面实现的word2Vec，vocab_szie并不是所有的word的数量，而且先统计了所有word的出现频次，然后选取出现频次最高的前50000的词作为词袋。具体操作请看代码 tensorflow/examples/tutorials/word2vec/word2vec_basic.py，其余的词用unkunk代替。
采用一种所谓的”负采样”的操作，这种操作每次可以让一个样本只更新权重矩阵中一小部分，减小训练过程中的计算压力。
举例来说：一个input output pair如：(“fox”,“quick”)，由上面的分析可知，其true label为一个one−hot向量，并且该向量只是在quick的位置为1，其余的位置均为0，并且该向量的长度为vocab size，由此每个样本都缓慢能更新权重矩阵，而”负采样”操作只是随机选择其余的部分word，使得其在true label的位置为0，那么我们只更新对应位置的权重。例如我们如果选择负采样数量为５，则选取５个其余的word，使其对应的output为0，这个时候output只是６个神经元，本来我们一次需要更新300∗10,000参数，进行负采样操作以后只需要更新300∗6＝1800个参数。