word2vec原理(三) 基于Negative Sampling的模型
word2vec原理(一) CBOW与Skip-Gram模型基础
word2vec原理(二) 基于Hierarchical Softmax的模型
word2vec原理(三) 基于Negative Sampling的模型
在上一篇中我们讲到了基于Hierarchical Softmax的word2vec模型，本文我们我们再来看看另一种求解word2vec模型的方法：Negative Sampling。
1. Hierarchical Softmax的缺点与改进
在讲基于Negative Sampling的word2vec模型前，我们先看看Hierarchical Softmax的的缺点。的确，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，那么就得在霍夫曼树中辛苦的向下走很久了。能不能不用搞这么复杂的一颗霍夫曼树，将模型变的更加简单呢？
Negative Sampling就是这么一种求解word2vec模型的方法，它摒弃了霍夫曼树，采用了Negative Sampling（负采样）的方法来求解，下面我们就来看看Negative Sampling的求解思路。
2. 基于Negative Sampling的模型概述
既然名字叫Negative Sampling（负采样），那么肯定使用了采样的方法。采样的方法有很多种，比如之前讲到的大名鼎鼎的MCMC。我们这里的Negative Sampling采样方法并没有MCMC那么复杂。
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。
不过有两个问题还需要弄明白：1）如果通过一个正例和neg个负例进行二元逻辑回归呢？ 2） 如何进行负采样呢？
我们在第三节讨论问题1，在第四节讨论问题2.
3. 基于Negative Sampling的模型梯度计算
Negative Sampling也是采用了二元逻辑回归来求解模型参数，通过负采样，我们得到了neg个负例$(context(w), w_i) i=1,2,..neg$。为了统一描述，我们将正例定义为$w_0$。
在逻辑回归中，我们的正例应该期望满足：$$P(context(w_0), w_i) = \sigma(x_{w_0}^T\theta^{w_i}) ,y_i=1, i=0$$
我们的负例期望满足：$$P(context(w_0), w_i) =1- \sigma(x_{w_0}^T\theta^{w_i}), y_i = 0, i=1,2,..neg$$
我们期望可以最大化下式：$$ \prod_{i=0}^{neg}P(context(w_0), w_i) = \sigma(x_{w_0}^T\theta^{w_0})\prod_{i=1}^{neg}(1- \sigma(x_{w_0}^T\theta^{w_i}))$$
利用逻辑回归和上一节的知识，我们容易写出此时模型的似然函数为：$$\prod_{i=0}^{neg} \sigma(x_{w_0}^T\theta^{w_i})^{y_i}(1- \sigma(x_{w_0}^T\theta^{w_i}))^{1-y_i}$$
此时对应的对数似然函数为：$$L = \sum\limits_{i=0}^{neg}y_i log(\sigma(x_{w_0}^T\theta^{w_i})) + (1-y_i) log(1- \sigma(x_{w_0}^T\theta^{w_i}))$$
和Hierarchical Softmax类似，我们采用随机梯度上升法，仅仅每次只用一个样本更新梯度，来进行迭代更新得到我们需要的$x_{w_i}, \theta^{w_i}, i=0,1,..neg$, 这里我们需要求出$x_{w_0}, \theta^{w_i}, i=0,1,..neg$的梯度。
首先我们计算$\theta^{w_i}$的梯度：$$\begin{align} \frac{\partial L}{\partial \theta^{w_i} } &= y_i(1- \sigma(x_{w_0}^T\theta^{w_i}))x_{w_0}-(1-y_i)\sigma(x_{w_0}^T\theta^{w_i})x_{w_0} \\ & = (y_i -\sigma(x_{w_0}^T\theta^{w_i})) x_{w_0} \end{align}$$
同样的方法，我们可以求出$x_{w_0}$的梯度如下：$$\frac{\partial L}{\partial x^{w_0} } = \sum\limits_{i=0}^{neg}(y_i -\sigma(x_{w_0}^T\theta^{w_i}))\theta^{w_i} $$
有了梯度表达式，我们就可以用梯度上升法进行迭代来一步步的求解我们需要的$x_{w_0}, \theta^{w_i}, i=0,1,..neg$。
4. Negative Sampling负采样方法
现在我们来看看如何进行负采样，得到neg个负例。word2vec采样的方法并不复杂，如果词汇表的大小为$V$,那么我们就将一段长度为1的线段分成$V$份，每份对应词汇表中的一个词。当然每个词对应的线段长度是不一样的，高频词对应的线段长，低频词对应的线段短。每个词$w$的线段长度由下式决定：$$len(w) = \frac{count(w)}{\sum\limits_{u \in vocab} count(u)}$$
在word2vec中，分子和分母都取了3/4次幂如下：$$len(w) = \frac{count(w)^{3/4}}{\sum\limits_{u \in vocab} count(u)^{3/4}}$$
在采样前，我们将这段长度为1的线段划分成$M$等份，这里$M >> V$，这样可以保证每个词对应的线段都会划分成对应的小块。而M份中的每一份都会落在某一个词对应的线段上。在采样的时候，我们只需要从$M$个位置中采样出$neg$个位置就行，此时采样到的每一个位置对应到的线段所属的词就是我们的负例词。
在word2vec中，$M$取值默认为$10^8$。
5. 基于Negative Sampling的CBOW模型
有了上面Negative Sampling负采样的方法和逻辑回归求解模型参数的方法，我们就可以总结出基于Negative Sampling的CBOW模型算法流程了。梯度迭代过程使用了随机梯度上升法：
输入：基于CBOW的语料训练样本，词向量的维度大小$Mcount$，CBOW的上下文大小$2c$,步长$\eta$, 负采样的个数neg
输出：词汇表每个词对应的模型参数$\theta$，所有的词向量$x_w$
1. 随机初始化所有的模型参数$\theta$，所有的词向量$w$
2. 对于每个训练样本$(context(w_0), w_0)$,负采样出neg个负例中心词$w_i, i=1,2,...neg$
3. 进行梯度上升迭代过程，对于训练集中的每一个样本$(context(w_0), w_0,w_1,...w_{neg})$做如下处理：
a) e=0， 计算$x_{w_0}= \frac{1}{2c}\sum\limits_{i=1}^{2c}x_i$
b) for i= 0 to neg, 计算：$$f = \sigma(x_{w_0}^T\theta^{w_i})$$$$g = (y_i-f)\eta$$$$e = e + g\theta^{w_i}$$$$\theta^{w_i}= \theta^{w_i} + gx_{w_0}$$
c) 对于$context(w)$中的每一个词向量$x_k$(共2c个)进行更新：$$x_k = x_k + e$$
d) 如果梯度收敛，则结束梯度迭代，否则回到步骤3继续迭代。
6. 基于Negative Sampling的Skip-Gram模型
有了上一节CBOW的基础和上一篇基于Hierarchical Softmax的Skip-Gram模型基础，我们也可以总结出基于Negative Sampling的Skip-Gram模型算法流程了。梯度迭代过程使用了随机梯度上升法：
输入：基于Skip-Gram的语料训练样本，词向量的维度大小$Mcount$，Skip-Gram的上下文大小$2c$,步长$\eta$， , 负采样的个数neg。
输出：词汇表每个词对应的模型参数$\theta$，所有的词向量$x_w$
1. 随机初始化所有的模型参数$\theta$，所有的词向量$w$
2. 对于每个训练样本$(context(w_0), w_0)$,负采样出neg个负例中心词$w_i, i=1,2,...neg$
3. 进行梯度上升迭代过程，对于训练集中的每一个样本$(context(w_0), w_0,w_1,...w_{neg})$做如下处理：
a) for i =1 to 2c:
i) e=0
ii) for j= 0 to neg, 计算：$$f = \sigma(x_{w_{0i}}^T\theta^{w_j})$$$$g = (y_j-f)\eta$$$$e = e + g\theta^{w_j}$$$$\theta^{w_j}= \theta^{w_j} + gx_{w_{0i}}$$
iii) 词向量更新：$$x_{w_{0i}} = x_{w_{0i}} + e $$
b)如果梯度收敛，则结束梯度迭代，算法结束，否则回到步骤a继续迭代。
7. Negative Sampling的模型源码和算法的对应
这里给出上面算法和word2vec源码中的变量对应关系。
在源代码中，基于Negative Sampling的CBOW模型算法在464-494行，基于Negative Sampling的Skip-Gram的模型算法在520-542行。大家可以对着源代码再深入研究下算法。
在源代码中，neule对应我们上面的$e$, syn0对应我们的$x_w$, syn1neg对应我们的$\theta^{w_i}$, layer1_size对应词向量的维度，window对应我们的$c$。negative对应我们的neg, table_size对应我们负采样中的划分数$M$。
另外，vocab[word].code[d]指的是，当前单词word的，第d个编码，编码不含Root结点。vocab[word].point[d]指的是，当前单词word，第d个编码下，前置的结点。这些和基于Hierarchical Softmax的是一样的。
以上就是基于Negative Sampling的word2vec模型，希望可以帮到大家，后面会讲解用gensim的python版word2vec来使用word2vec解决实际问题。
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