Word2Vec

作者: Jarkata | 来源:发表于2021-03-01 19:37 被阅读0次

自然语言处理问题中，一般以词作为基本单元，例如我们想要分析 "我去过华盛顿州" 这句话的情感，一般的做法是先将这句话进行分词，变成我，去过，华盛顿州，由于神经网络无法处理词，所以我们需要将这些词通过某些办法映射成词向量。词向量是用来表示词的向量，也可被认为是词的特征向量。把词映射为实数域向量的技术也叫词嵌入（word embedding）

为何不采用 one-hot 向量

one-hot词向量过于稀疏，无法表达不同词之间的相似度。任意一对词的one-hot向量的余弦相似度都是0。

1.word2vec

2013 年，Google 团队发表了 word2vec 工具。word2vec 工具主要包含两个模型：跳字模型（skip-gram）和连续词模型（continuous bag of words，简称 CBOW），以及两种高效训练的方法：负采样（negative sampling）和层序 softmax（hierarchical softmax）。值得一提的是，word2vec 词向量可以较好地表达不同词之间的相似度和类比关系。

1.1跳字模型（skipgram）

在跳字模型中，我们用一个词来预测它在文本序列周围的词。例如，给定文本序列the","man","hit","his","son"。设背景窗口大小为 2，跳字模型所关心的是，给定 "hit"，生成它邻近词 "the","man"."his","son" 的概率（在这个例子中，"hit" 叫中心词，"the","man","his","son" 叫背景词），即

假设在给定中心词的情况下，背景词的生成是相互独立的，那么根据乘法原理，上式可以改写成

跳字模型需要最大化给定任一中心词生成背景词的概率

上式得最大似然估计与最小化以下损失函数等价：

我们可以用 $v$ 代表中心词的词向量， $u$ 代表背景词的词向量。换言之，对于词典中一个索引为 $i$ 的词，它本身有两个向量 $v_i$ （输入向量表达，也就是最终的词向量）和 $u_i$ （输出向量表达）进行表示，在计算的过程中，根据其所处的角色不同，选择不同的词向量。词典中所有词的这两种向量正是跳字模型所需要学习的参数。为了将模型参数植入损失函数，我们需要使用模型参数表达损失函数中的中心词生成背景词的概率。假设中心词的概率是相互独立的。给定中心词 $w_c$ 在词典中的索引为 $c$ ，背景词 $w_o$ 在词典中的索引为 $o$ ，损失函数中中心词生成背景词的概率可以使用 softmax 函数进行定义：

当序列长度 $T$ 较大时，我们通常随机采样一个较小的子序列来计算损失函数并使用 SGD 优化该损失函数。通过求导，我们可以计算出上式生成概率的对数关于中心词向量 $v_c$ 的梯度为：

通过上面计算得到梯度后，我们可以使用随机梯度下降来不断迭代模型参数 $v_c$ 。其他模型参数 $u_0$ 的迭代方式同理可得。最终，对于词典中任一索引为 $i$ 的词，我们均得到该词作为中心词和背景词的两组词向量 $v_i$ 和 $u_i$

1.2连续词典模型(CBOW）

CBOW对小型数据比较合适，而Skip-Gram在大型语料中表现更好
连续词袋模型与跳字模型类似，与跳字模型最大的不同是，连续词袋模型是用一个中心词在文本序列周围的词来预测中心词。简单的说就是，跳字模型用中心词预测周围的词；连续词袋模型用周围的词预测中心词。
例如，给定文本"the","man","hit","his","son"，连续词袋模型所关心的是，邻近词 "the","man","his","son" 一起生成中心词 "hit" 的概率
连续词袋模型需要最大化由背景词生成任一中心词的概率：

上式的最大似然估计与最小化以下损失函数等价

这里可以用

v

和

u

分别代表背景词和中心词的向量（注意符号和跳字模型不同）。给定中心词

w_c

在词典中的索引为

c

，背景词

w_{o_1},...,w_{o_2m}

在词典中的索引为，损失函数中的背景词生成中心词的概率可以使用 softmax 函数定义为

同样，当序列长度

T

较大时，我们通常随机采样一个较小的子序列来计算损失函数，并使用随机梯度下降优化该损失函数，通过微分，我们可以计算出上式生成概率的对数关于任一背景词向量

v_{o_i}(i=1,...,2m)

的梯度为：

而上式与下式等价：

注解：看到这里，就引出了word2vec的核心方法，其实就是认为每个词相互独立，用连乘来估计最大似然函数，求解目标函数就是最大化似然函数。上面公式涉及到一个中心词向量v，以及背景词向量u，因此呢很有趣的是，可以用一个input-hidden-output的三层神经网络来建模上面的skip-model。

输入的表示：输入层中每个词由独热编码方式表示，即所有词均表示成一个N维向量，其中N为词汇表中单词的总数。在向量中，每个词都将与之对应的维度置为1,其余维度的值均为0。
网络中传播的前向过程：输出层向量的值可以通过隐含层向量（K维），以及连接隐藏层和输出层之间的KxN维权重矩阵计算得到。输出层也是一个N维向量，每维与词汇表中的一个单词相对应。最后对输出层向量应用Softmax激活函数，可以计算每一个单词的生成概率。

skip gram和 cbow的区别

在skip-gram里面，每个词在作为中心词的时候，实际上是 1个学生 VS K个老师，K个老师（周围词）都会对学生（中心词）进行“专业”的训练，这样学生（中心词）的“能力”（向量结果）相对就会扎实（准确）一些，但是这样肯定会使用更长的时间；

cbow是 1个老师 VS K个学生，K个学生（周围词）都会从老师（中心词）那里学习知识，但是老师（中心词）是一视同仁的，教给大家的一样的知识。至于你学到了多少，还要看下一轮（假如还在窗口内），或者以后的某一轮，你还有机会加入老师的课堂当中（再次出现作为周围词），跟着大家一起学习，然后进步一点。因此相对skip-gram，你的业务能力肯定没有人家强，但是对于整个训练营（训练过程）来说，这样肯定效率高，速度更快。

所以，这两者的取舍，要看你自己的需求是什么了。

cbow 与 skip-gram的比较 - 卡门的文章 - 知乎
https://zhuanlan.zhihu.com/p/37477611

2近似训练法

可以看到，无论是跳字模型还是连续词袋模型，每一步梯度计算的开销与词典 $|V|$ 的大小呈正相关。显然，当词典较大时，这种训练方法的计算开销会很大。所以使用上述训练方法在实际中是由难度的。我们可以使用近似的方法来计算这些梯度，从而减小计算开销。常用的近似训练法包括负采样和层序 softmax