python根据BM25实现文本检索

目的

给定一个或多个搜索词，如“高血压 患者”，从已有的若干篇文本中找出最相关的(n篇)文本。

理论知识

文本检索（text retrieve）的常用策略是：用一个ranking function根据搜索词对所有文本进行排序，选取前n个，就像百度搜索一样。
显然，ranking function是决定检索效果最重要的因素，本文选用了在实际应用中效果很好的BM25。BM25其实只用到了一些基础的统计和文本处理的方法，没有很高深的算法。

上图是BM25的公式，对于一个搜索q和所有文本，计算每一篇文本d的权重。整个公式其实是TF-IDF的改进：

• 第一项c(w,q)就是搜索q中词w的词频
• 第三项是词w的逆文档频率，M是所有文本的个数，df(w)是出现词w的文本个数
• 中间的第二项是关键，实质是词w的TF值的变换，c(w,d)是词w在文本d中的词频。首先是一个TF Transformation，目的是防止某个词的词频过大，经过下图中公式的约束，词频的上限为k+1，不会无限制的增长。例如，一个词在文本中的词频无论是50还是100，都说明文本与这个词有关，但相关度不可能是两倍关系。
  TF Transformation
• 上图的公式分母中的k还乘了一个系数，目的是归一化文本长度。归一化公式中，b是[0,1]之间的常数，avdl是平均文本长度，d是文本d的长度。显然，d比平均值大，则normalizer大于1，代入BM25最终的权重变小，反之亦然。

python实现

下面通过一个例子来实现根据BM25来进行文本检索。现在从网上爬下来了几十篇健康相关的文章，部分如下图所示。模拟输入搜索词，如“高血压 患者 药物”，搜素最相关的文章。

python的实现用到了gensim库，其中的BM25实现的源码如下：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
#
# Licensed under the GNU LGPL v2.1 - http://www.gnu.org/licenses/lgpl.html

import math
from six import iteritems
from six.moves import xrange


# BM25 parameters.
PARAM_K1 = 1.5
PARAM_B = 0.75
EPSILON = 0.25


class BM25(object):

    def __init__(self, corpus):
        self.corpus_size = len(corpus)
        self.avgdl = sum(map(lambda x: float(len(x)), corpus)) / self.corpus_size
        self.corpus = corpus
        self.f = []
        self.df = {}
        self.idf = {}
        self.initialize()

    def initialize(self):
        for document in self.corpus:
            frequencies = {}
            for word in document:
                if word not in frequencies:
                    frequencies[word] = 0
                frequencies[word] += 1
            self.f.append(frequencies)

            for word, freq in iteritems(frequencies):
                if word not in self.df:
                    self.df[word] = 0
                self.df[word] += 1

        for word, freq in iteritems(self.df):
            self.idf[word] = math.log(self.corpus_size - freq + 0.5) - math.log(freq + 0.5)

    def get_score(self, document, index, average_idf):
        score = 0
        for word in document:
            if word not in self.f[index]:
                continue
            idf = self.idf[word] if self.idf[word] >= 0 else EPSILON * average_idf
            score += (idf * self.f[index][word] * (PARAM_K1 + 1)
                      / (self.f[index][word] + PARAM_K1 * (1 - PARAM_B + PARAM_B * self.corpus_size / self.avgdl)))
        return score

    def get_scores(self, document, average_idf):
        scores = []
        for index in xrange(self.corpus_size):
            score = self.get_score(document, index, average_idf)
            scores.append(score)
        return scores


def get_bm25_weights(corpus):
    bm25 = BM25(corpus)
    average_idf = sum(map(lambda k: float(bm25.idf[k]), bm25.idf.keys())) / len(bm25.idf.keys())

    weights = []
    for doc in corpus:
        scores = bm25.get_scores(doc, average_idf)
        weights.append(scores)

    return weights

gensim中代码写得很清楚，我们可以直接利用。

import jieba.posseg as pseg
import codecs
from gensim import corpora
from gensim.summarization import bm25
import os
import re

构建停用词表

stop_words = '/Users/yiiyuanliu/Desktop/nlp/demo/stop_words.txt'
stopwords = codecs.open(stop_words,'r',encoding='utf8').readlines()
stopwords = [ w.strip() for w in stopwords ]

结巴分词后的停用词性 [标点符号、连词、助词、副词、介词、时语素、‘的’、数词、方位词、代词]

stop_flag = ['x', 'c', 'u','d', 'p', 't', 'uj', 'm', 'f', 'r']

对一篇文章分词、去停用词

def tokenization(filename):
    result = []
    with open(filename, 'r') as f:
        text = f.read()
        words = pseg.cut(text)
    for word, flag in words:
        if flag not in stop_flag and word not in stopwords:
            result.append(word)
    return result

对目录下的所有文本进行预处理，构建字典

corpus = [];
dirname = '/Users/yiiyuanliu/Desktop/nlp/demo/articles'
filenames = []
for root,dirs,files in os.walk(dirname):
    for f in files:
        if re.match(ur'[\u4e00-\u9fa5]*.txt', f.decode('utf-8')):
            corpus.append(tokenization(f))
            filenames.append(f)
    
dictionary = corpora.Dictionary(corpus)
print len(dictionary)

Building prefix dict from the default dictionary ...
Loading model from cache /var/folders/1q/5404x10d3k76q2wqys68pzkh0000gn/T/jieba.cache
Loading model cost 0.328 seconds.
Prefix dict has been built succesfully.


2552

建立词袋模型

打印了第一篇文本按词频排序的前5个词

doc_vectors = [dictionary.doc2bow(text) for text in corpus]
vec1 = doc_vectors[0]
vec1_sorted = sorted(vec1, key=lambda (x,y) : y, reverse=True)
print len(vec1_sorted)
for term, freq in vec1_sorted[:5]:
    print dictionary[term]

76
高血压
患者
药物
血压
治疗

用gensim建立BM25模型

bm25Model = bm25.BM25(corpus)

根据gensim源码，计算平均逆文档频率

average_idf = sum(map(lambda k: float(bm25Model.idf[k]), bm25Model.idf.keys())) / len(bm25Model.idf.keys())

假设用户输入了搜索词“高血压 患者 药物”，利用BM25模型计算所有文本与搜索词的相关性

query_str = '高血压 患者 药物'
query = []
for word in query_str.strip().split():
    query.append(word.decode('utf-8'))
scores = bm25Model.get_scores(query,average_idf)
# scores.sort(reverse=True)
print scores

[4.722034069722618, 4.5579610648148625, 2.859958016641194, 3.388613898734133, 4.6281563584251995, 4.730042214103296, 1.447106736835707, 2.595169814422283, 2.894213473671414, 2.952010252059601, 3.987044912721877, 2.426869660460219, 1.1583806884161147, 0, 3.242214688067997, 3.6729065940310752, 3.025338037306947, 1.57823130047124, 2.6054874252518214, 3.4606547596124635, 1.1583806884161147, 2.412854586446401, 1.7354863870557247, 1.447106736835707, 3.571235274862516, 2.6054874252518214, 2.695780408029825, 2.3167613768322295, 4.0309963518837595, 0, 2.894213473671414, 3.306255023356817, 3.587349029341776, 3.4401107112269824, 3.983307351035947, 0, 4.508767501123564, 3.6289862140766926, 3.6253442838304633, 4.248297326100691, 3.025338037306947, 3.602635199166345, 3.4960329155028464, 3.3547048399034876, 1.57823130047124, 4.148340973502125, 1.1583806884161147]

idx = scores.index(max(scores))
print idx

5

找到最相关的文本

fname = filenames[idx]
print fname

关于降压药的五个问题.txt

with open(fname,'r') as f:
    print f.read()

      高血压的重要治疗方式之一，就是口服降压药。对于不少刚刚被确诊的“高血压新手”来说，下面这些关于用药的事情，是必须知道的。

1. 贵的药，真的比便宜的药好用吗？

      事实上，降压药物的化学机构和作用机制不一样。每一种降压药，其降压机理和适应人群都不一样。只要适合自己的病情和身体状况，就是好药。因此，不存在“贵重降压药一定比便宜的降压药好使”这一说法。

2. 能不吃药就不吃药，靠身体调节血压，这种想法对吗？

     这种想法很幼稚。其实，高血压是典型的，应该尽早服药的疾病。如果服药太迟，高血压对重要脏器持续形成伤害，会让我们的身体受很大打击。所以，高血压患者尽早服药，是对身体的最好的保护。

3. 降压药是不是得吃一辈子？

      对于这个问题，中医和西医有着不同的认识。西医认为，降压药服用之后不应该停用，以免血压形成波动，造成对身体的进一步伤害。中医则认为，通过适当的运动和饮食调节，早期的部分高血压患者，可以在服药之后的某段时间里停药。总之，处理这一问题的时候，我们还是要根据自己的情况而定。对于高血压前期，或者轻度高血压的人来说，在生活方式调节能够让血压稳定的情况下，可以考虑停药，采取非药物疗法。对于中度或者重度的高血压患者来说，就不能这么做了。

4. 降压药是不是要早晨服用？

      一般来说，长效的降压药物，都是在早晨服用的。但是，我们也可以根据高血压患者的波动情况，适当改变服药时间。

5. 降压药是不是一旦服用就不能轻易更换？

      高血压病人一旦服用了某种降压药物，就不要轻易更换。只要能维持血压在正常范围而且稳定，就不用换药。只有在原有药物不能起到控制作用的时候，再考虑更换服药方案。对于新发高血压病人来说，长效降压药若要达到稳定的降压效果，往往需要4到6周或者更长时间。如果经过4到6周也实现不了好的控制效果，可以考虑加第二种药物来联合降压，不必盲目换药。

参考资料:

Coursera: Text Mining and Analytics