【序列模型】第二课--自然语言处理与词嵌入

1.词汇表征

1.1 one-hot词编码的缺陷

回顾上一节的词向量表示方式：one-hot编码。即根据拥有的尽可能多的语料，整理一份词典，词典长度为n，使得每个词对应一个n*1的词向量，其中该词索引所在的位置为1，其余位置为0. 比如，如下图，woman这个词在索引为9853的位置上是1，其余位置为0，这就是one-hot方式的word representation.

one-hot的词汇表征很简单，但是也有致命缺点，它无法表示词与词之间的相似性。
举个简单的例子：

I want a glass of orange __.

假设我先告诉你空格是填的是juice。然后再给你下面这个句子：

I want a glass of apple __.

你肯定想到也可以填juice啊,因为你知道orange与apple都是水果，它们在某种意义上有相似性。但是!!! 如果我们使用的是one-hot形式对词进行编码的话，我们完全无法根据词向量来计算词与词之间的相似性，而两个one-hot词向量的内积永远也等于0.

1.2 特征化表征

什么叫做特征化的表示，比如选一个特征是“gender”，于是每个词都可以评估出一个与gender相似性的值,”man”为-1，”woman”为1， 而apple与gender完全无关，为0，以此类推，如下表示:

假设，有300个特征，那么每个词就会形成一个300*1的词向量量，向量的每个维度都有特定特征的含义。由于”man”和”woman”是很相近的词，它们在很多特征维度上都有相近的值，因此这两个向量的距离会很近，即内积获得的相似性会很高：

因此再拿这个例子来说，由于orange与apple的词向量相似性高，因此可以根据orange后面填juice推到出apple后面也可以填juice.
I want a glass of orange __.
I want a glass of apple __.
总之，特征化的表示能比one-hot更好得表示不同的词

但是要注意的是，实际上的词向量，并不是有清晰直观的特征，告诉你第一维是性别，第二维是高贵等等，而是比这复杂得多，但我们可以去这样理解，就是向量中的每一维都代表着某个特征。

1.3可视化词嵌入

假设我们已经获得了300维的词向量，那么可以将它降维到2维空间，并且画在二维坐标上，如下，可见相似的词会被聚在一起

常见的可视化算法有t-SNE算法，来自于laurens van der maaten和Geoff Hinton的论文。

最后说一说为什么这个方法叫做embedding嵌入，想象一个300维的空间，一个词对应多300维的向量，就像是嵌在这个空间中的一个点，因此取名为嵌入。

2.词嵌入的应用

2.1 词嵌入在命名实体识别中的应用

假设有这样一个句子：

其中，Sally Johnson是一个人名，因此它们对应的预测应该是1，其余词的预测为0.我们之所以判断Sally Johnson是一个人名，而非公司名，是因为这句话的后面说了Sally Johnson是一个farmer(农民），fammer自然是一个人了。

由于训练中已经知道了，后面出现了farmer，那么前面的实体应该是人名，因此Robert Lin的预测为1.在这个例子中，使用one-hot或者词嵌入或许都能正确识别出。

但是，假设把”apple farmer”改成”durian cultivator（榴莲培育家）”呢？训练集中从未出现过durian和cultivator这两个词，于是one-hot方式就傻眼了，但是词嵌入的方式却仍然游刃有余。因为词嵌入的表征可以体现词与词之间的相似关系，而apple与durain, farmer与cultivator有很大的相似性，因此虽然训练集中压根就没有学到过这两个词，模型也可以预测出durian cultivator也是一个人。

以上可以看到，就算我们的训练样本比较少，没有覆盖尽可能多的词或样本类型，模型还是可以根据词嵌入向量来做更准确的预测。这里词嵌入的表征方式简直功不可没。那么词嵌入是如何得来的呢？你可以考察很大的数据集，可是是一亿或这100亿个词（来自于不需要标注的文本），然后对文进行学习，获得词嵌入的向量，这个大文本自然是越大越好，尽可能得包含所有的词，其中就有durain和cultivator,于是你就可以发现durain和apple等水果很相近。

用大量的文本训练出词嵌入，然后将词嵌入运用到只有小量样本的模型中，这就是运用了“迁移学习”。

另一点要注意的是，上图画的是一个单向的RNN，实际上做命名实体识别，一般使用的是双向RNN。

2.2总结词嵌入做迁移学习的步骤

（1）从大量的文本语料中学习词嵌入的向量（1-100亿词），或者直接从网上下载别人与训练好的向量。
（2）将词嵌入迁移到你只有少量样本的任务中，使得用几百维的向量代替之前上万维的one-hot向量。
（3）在新的数据上微调词嵌入向量。但是若你的样本数据很少，一般就不做微调了。

对迁移学习再多说一句，当有两个任务A，B。在A任务中你有大量的标注的数据，而B中却只有少量，于是可以将在A中学习到的东西迁移到B中，以弥补B因为样本少而导致的缺陷。

2.3 词嵌入与人脸编码

词嵌入与人脸编码有些奇妙的关系。
在使用卷积神经网络进行人脸对比时，过程如下图，输入一张图片，一层一层计算后最后会得到一个向量（比如128维），然后去比较两张图片的这两个向量的相似性，即对图片进行了编码。

词嵌入也差不多，对词进行了编码，因此两者有相似之处。

两者的不同之处是：
输入任何一张图片，都能得到一个图像编码的向量；而词嵌入是需要事先确定词库，假设有1亿个词参与了训练，如果出现另一个新词，那么将无法得到新词的词向量。

3.词嵌入的特性

3.1 词嵌入的类比推理特性

词嵌入还有一个很迷人的特性，那就是帮助类比推理，尽管类比推理在NLP的应用中不是最重要的角色，不过它帮助人们认识词嵌入到底做了什么。

假设我们已经获取了以下这些词的特征表示，并且假设词嵌入就是以下4个维度的向量。

现在告诉你man对应的是woman:man--->woman,问king对应的是什么词：king--->？。你肯定会说king当然对应的是queen了，是的，你知道，但是计算机不知道啊，因此我们可以借助词嵌入的特性去通过类比找到这个对应的词。

正如上图，我们知道了man,woman的词向量，分别用e_man, e_woman表示，将这两个词向量相减得到一个向量; 同时将e_king与e_queen相减：

以上现象可见，通过词嵌入可以进行类比推理，根据man--->woman找到king--->？

也就是找出一个词\(w\)， 使得它的词向量\(e_w\)与\(e_{king}-e_{man}+e_{woman}\)的向量最相近。

3.2 余弦相似性

前面讲了辣么多词相似性相似性相似性，但是相似性到底如何计算呢？常用的词向量之间的相似性一般用余弦相似性计算：

还有很多计算相似性的方法，比如欧式距离\(||u-v||^2\)

4.嵌入矩阵

上面几节分别讲了什么是词嵌入，词嵌入的应用与特性，现在开始，要具体讲一讲，我们到底是如何得到这个词嵌入的。获取词嵌入，其实就是去求一个嵌入矩阵(Embedding matrix)。于是这一节先来介绍下什么是嵌入矩阵。
假设有10000个词的词典，若按字母排，就是从\(a, aaron,......,orange,......zulu, <UNK>\)，我们要做的是学习一个嵌入矩阵，大小是30010000，这个矩阵的每一列代表的是每个词的向量：

要得到每个词在次嵌入矩阵中对应的向量，使嵌入矩阵乘以这个词的one-hot向量即可。
嵌入矩阵记为\(E\)，维度是（30010000）
某个词one-hot词向量（比如orange是排在词典的6257位，记为O_6257)
因此它们的积:\(E * O_6257\)，会得到一个300 * 1的向量，其实就是这个词在嵌入举证对应的那一列向量。

推而广之，某个词\(O_j\)的嵌入向量（j是该词在词典中的位置），就是嵌入矩阵乘以该词的one-hot向量。

因此这一节，你只需要知道我们需要去训练这样一个嵌入矩阵，然后用这个嵌入矩阵与one-hot向量相乘，可以得到嵌入向量。

但需要注意的是，上面我们好像看似轻而易举得得到了嵌入矩阵与one-hot向量相乘的结果，但在实际计算中，由于向量的维数巨大，相乘的操作会带来巨大的计算量，因此实际中，往往直接根据词的索引去取出嵌入矩阵中对应的那一列向量。

5.学习词嵌入

在深度学习的历史上，人们曾经用很复杂的模型结构来训练词嵌入，随着不断得探索，现在我们已经可以用很简单的模型结构来训练出非常好的效果，特别是在大数据样本的情况下。但是我们仍然从最初的复杂模型开始讲起，这样你才能更深入得理解简单的模型到底为什么会取得好的效果。

假如你要构建一个语言模型，要根据前面的单词预测出下面这句话空格中的单词（单词下方的数字是该词在词典中的索引位置）：

实践证明，建立一个语言模型，是学习词嵌入的好方法。因此我们现在来建立一个神经网络预测序列中的下一个单词。

1. 首先空格前面的每个单词都匹配上对应的one-hot向量；
2. 然后去乘以一个嵌入矩阵\(E\)（一开始这个\(E\)是一个随机初始化的300*10000的矩阵）；
3. 接着相乘后得到每个词的嵌入向量（如\(e_4343\))。
4. 所有词嵌入向量都作为神经网络的输入
5. 经过一个隐层之后，再输入softmax层，做10000（词典的长度）的分类，即输出层有10000个神经元，输出后可形成1*10000的向量，最好的预期是这个向量中，只有该词所在的索引位置为1，其他位置为0.

将每次输出的1*10000维向量与真实期望的词向量（上面是juice)计算损失，通过梯度下降法去调整嵌入矩阵中的值，使得潜入矩阵越来越能优秀地表征对应的词。

在实际中，往往会设置一个固定长度的窗口，比如5，意思是用前4个词去预测后一个词，这样就可以去适应非常长的句子了。

不单单可以设置不同长度的窗口，还可以使用前后文，比如用该词的前面4个词后4个词来预测该词；也可以只用前面一个词，或者前后一个词等。但实践证明，如果你的目的是训练一个语言模型，那么使用前后4个词可能效果更好，若你的目的是得到词嵌入矩阵，那么使用前后1个词也会很好。

因此，综上所述，通过以上训练语言模型的过程，就可以顺便得到了词嵌入矩阵。这是早期最成功的词嵌入学习算法之一。

6.word2vec

上一节介绍了一个复杂版本的词嵌入算法，现在来介绍一个更简单更灵活的模型来获得词嵌入,其中一种叫做Skip-grames。本节内容的大多数思想来自与Tomas Mikolov, Kai Chen,Greg Corrado 和Jeff Dean.

6.1 Skip-gram

假设给你这样一个句子：

在skip-gram模型中，要做的是抽取上下文context与目标词target配对，来构造一个监督学习问题。上下文并不一定要是前一个词或者离得最近的四个单词之类，而是随机选择一个词作为上下文词，比如随机选择一个context词：orange.接着再随机选择一个在一定词距中的target词,比如随机选到了:juice,或者随机选到了前面的词：glass（词距是一开始认为设定的，比如前后10个词中随机选）。

显然，这不是一个简单的监督学习，因为context词前后n个词距中许多不同词。但构造这个监督学习模型，并不是去解决模型本身的问题，而是想通过这个训练过程，去得到中间的词嵌入矩阵。

现在来讲讲模型的细节，假设仍然使用一个10000词的词表（当然实际上要大得多）。并且已经随机取了一对context和target词，比如分别是context:orange–>target:juice.模型的过程和上一节一样：
输入context词的one-hot词向量
–>乘以初始化的词嵌入矩阵E
–>得到词嵌入向量
–>经过softmax层
–>输出词汇表大小长度的词向量y

softmax层的计算公式如下：

损失函数如下：是两个one-hot词向量的差值之和

\(y\)是context词的one-hot词向量,\(\hat{y}\)是模型softmax层的输出，也是一个长度与前者相当的词向量。

这个模型有两类参数，一个是词嵌入矩阵E中的值，一个somtmax层中的参数，随着损失函数的最小化，这两类参数都会得到优化，并且越来越准确，从而我们就得到了我们最终想要的词嵌入矩阵啦～以上就是skip-gram模型～

6.2 problems with softmax classification

但是上面讲述的Skip-grames模型有一个很大的缺点，就是计算量太大了。来看softmax的计算公式:

分母部分需要对词汇表中的每个词都计算后求和，一般情况下词汇表都会很大，因此求和操作是相当慢的。那么如何解决呢，下面就来讲一讲。

6.2.1 分级softmax 分类器

在一些文献中你会看到hierarchical softmax classider。什么意思呢？也就是在sofmax层不一次到位求出每个词的概率，而是通过分类的方式，第一个分类器告诉你这个词是在词汇表的5000前还是后，第二个分类器告诉你是在2500前还是后，以此类推，直到找到那个准确的词。像我们平时玩的猜数字游戏，一个人先在纸上写好一个数字，然后开始让大家猜，然后一步一步逼近真实数字，直到猜中的人接受真心话大冒险
画出来的形状是树状的，每个节点是一个分类器：

7.负采样Nagtive sampling

上面一节讲述了用分级softmax 分类器去降低softmax层的计算复杂度，这一节讲述一个更好的方法，，叫做负采样，来一起看看吧～

7.1 过程详述

（1）准备样本
还是这句话：

和上一节一样，随机采出一个词作为context词，再在给定的词距下随机获取该词的target词，形成一组样本：orange-->juice。这组样本是一个正样本。
有了正样本，就肯定需要负样本，负样本是这样得到的：context词不变，然后随机从词典中采样出k个词，这些词可以是句子中没有的词，也允许是句子中有的词，总之随缘就好，不强求，于是context词就与这些随机从词典中采样的词形成了几对负样本：

关于k的数目，如果你的数据集很小，那么k在5-20之间，如果你有大数据集，那么k在2-5之间

（2）训练模型
有了样本之后，就可以训练一个监督模型了。
模型的输入x是词对，也就是我们上面准备好的正样本与负样本；模型的输出y是一个二分类，若正样本则为1，负样本则为0。显而易见，这个模型对目的是去学习两个词是否是临近词，临近词为正样本，非临近词为负样本。

这样的二分类我们选择用逻辑回归模型去构造：

公式里有两个参数，一个是目标词的参数向量\(θ(t)\)，一个是上下文词\(e(c)\),即每个contxt word的词嵌入向量。利用上面公示预测处\(t,c\)共现时\(y=1\)时的概率

纵观整个神经网络模型，前面的套路不变：
（1）输入context word的one-hot向量
（2）乘以嵌入矩阵\(E\)
（3）得到context word的词嵌入
（4）进入神经网络，输出10000维向量（10000是词典长度）
要注意的是第（4）步，这个输出并不是之前的softmax的10000个概率，而是10000个逻辑回归二分类器，表示词典中每个索引上的词是否与context临近。
但！并不是每次训练都要训练全部10000个逻辑回归，我们只训练其中5个，分别是，那个正样本的target词所在位置的逻辑回归模型，和另外四个采样的负样本所在位置的模型（假设我们设置了k=4）。

如此以来，原来复杂的要计算10000次的softmax层变成了计算相对简单的10000个逻辑回归二分类模型，且每次训练只需要训练\(k+1\)个logistic unit，是不是大大减小了计算量呢～

7.2如何选取负样本

那么如何进行更优的负采样呢？
论文的作者Mikoolov等人根据经验认为根据一下经验值采样会更好：

\(w_i\)表示第\(i\)个词，\(f(w_i)\)表示第\(i\)个词在所有语料中的词频。但是这是针对英文单词的分布的，中文的不知道适不适用呢～

8.GloVe词向量

前面讲了word2vec算法进行词嵌入的学习，这一节将介绍另一种也表现很好且更简单的算法：GloVe算法（global vectors for word representatiom）。虽然它并没有word2vec那么火，但是也有人热衷于它。

又是这句话：

word2vec中获取了词对：context–>target。在glove中使词对的关系明确化。

\(X_{ij}\)表示词i出现在j的上下文的次数，这里用\(ij\)来表示\(tc\)，因此\(X_{ij}\)等同于\(X_{tc}\)（\(t\)表示\(target\), \(c\)表示\(context\))。
实际上，\(X_{ij}\)也经常与\(X_{ji}\)对称，比如当你将窗口设定为前后10个词时。
也就是说word2vec中判断的是两个是否相邻，GloVe关注的是两个词相邻出现对次数

因此，GloVe model的具体做法是酱紫的：
其目标函数是最小化以下公式：

\(θ(i)\)和\(e(j)\)分别表示target word与context word的词嵌入向量；
\(f(X_{ij})\)是一个权重项，对于像the, a, an,of等停用词会给予较小权重，对于durain这种稀有词但有蛮重要点词给予增加权重；
\(log(X_{ij})\)表示的是i词与j词的相似程度。

由于此处是i和j是对称的，因此最终词嵌入\(e(w)\)可以是\(θ(w)\)与\(e(w)\)的均值

9.情感分类Sentiment classification

情感分类是指对一个文本（一篇文章，新闻，微博评论等等）预测出笔者对所描述的东西的情感是正向的还是负向的（喜欢还是讨厌），是NLP中一个应用很普遍，业务需求很旺盛的一个部分。在没有词嵌入向量之前，我们需要标注大量的数据去训练这个有监督的分类模型，但是现在有了词嵌入后，需要的样本量就大大减少了哦～

9.1 输入与输出

首先明确输入输出
首先输入是一段文本；输出是要预测的相应的情感，可以是正负的二分类，也可以是评级的多分类（比如影评和淘宝评价又5个等级）

9.2简单的模型

a.先来说说一个简单的模型。 此时假设我们已经训练好了一个优先的嵌入矩阵E;
b.将输入文本中的每个词都在E中找到对应的词嵌入e，可以用上文介绍过的方法，即用该词的one-hot词向量去乘以E;
c.将所有词嵌入求均值或者加和，将n个向量变成一个向量。这里n的大小其实就文本中词的个数假设词向量是300维的，那么最终求均值或和之后，就生成一个新的300维的向量;
d.将这个300维的向量做为神经网络的输入（即输入层又300个神经元），经过一个softmax分类层，输出情感的分类，若又5类情感，则输出层又5个神经元。

但这个模型有巨大的缺点，就是不考虑词的顺序，假设评论如下：
“completely lacking in good taste, good service, and good ambience”
这句话说是lacking， 但是却又3个good,因此直接将词向量均值或求和，就会认为是good,并没有捕捉到前面说的是lacking good XXX.

9.3 RNN for sentiment classification

要捕捉顺序上的信息，此时果断就需要RNN来闪亮登场了！
同样是输入每个词的词嵌入向量，在最后一个时刻的输出情感的分类结果，具体结构如下：

10.词嵌入除偏

10.1 什么偏？

这里，除偏的偏，不是机器学习里技术上的bias,而是偏见的偏，话不多说，举几个例子你就懂。

比如上面这句，男人之于程序员 就像 女人之于家庭主妇
中国同胞们肯定就疑惑了，这句话好像没啥偏见啊，而且还挺准的。咳咳，我大中华真是直男成灾啊。你说说凭啥女性就不能做程序员，男性就不能在家带孩子。

再比如上面这句，父亲之于医生 就像 母亲之于护士
是的，的确在国内，医生男的居多，护士大多都是女性，因此直男又要反驳这哪里有bais，明明是社会常态啊。

不同社会下的语料训练出的词向量，会反应当下的性别，种族，年龄等偏见，这与当下的社会，经济，政治，文化状态都相关。也许某些观念在我们骨子里已经根深蒂固，且无法与之相抗，也不能要求整个社会的改变，但至少将被广泛应用于人类社会方方面面的机器学习与人工智能，能杜绝掉被这些传统意识形态的束缚，能真正成功不带任何偏见，没有有色眼镜，公正公平平等得去效力于各行各业的业务场景中。

10.2 如何除偏

假设有这样几个词：

• 第一步：Identify bias direction

以除去性别偏见为例，将性别词相减，然后再求均值
\(e_{he}\) - \(e_{she}\)
\(e_{male}\) - \(e_{female}\)
…
–>\(average\)
从上图的分布可见,横轴代表了偏见的方向，给它1个维度；纵轴代表了无偏见的方向，给它299个维度（这里讲述地比实际论文中要简单，论文中的偏见方向不只1维，而且以上也不是简单得求均值，而是用起一只分解的方法。

• 第二步：Neutralize 中和偏见。

有一些词本身就有性别上的信息，比如he,she,father,mother;而有一些词本身和性别并无关系，如doctor, nurse, homemaker, computer-programer等，即在性别上是中立等，因此需要对这些词做消除偏见（以上坐标中doctot是在男性那一侧，应该调整到在男性女性中间。

• 第三步：Equalze pair 均衡。

比如使得babysiter能够到gramdfather和grandermother的距离一样近。做法就是将gramdfather和grandermother移动到根据纵轴对称，而将babysiter移动到纵轴上。

那么如何找出哪些词是中立词呢，论文的作者建立了二分类到监督模型进行中立与非中立的分类。

参考文献:【序列模型】第二课--自然语言处理与词嵌入