CS224n 笔记2-词向量表示：Word2vec

1. 单词含义的表示

我们如何表示一个单词的意思

下面是意思的定义：

• 用词语，语句表示的想法或观点
• 人们使用词汇，符号来表达的想法
• 在一篇文章和艺术品表达的观点
  最常见的意思语言学表现形式：
• 符号⟺被标记的观点或者事物= 含义

我们如何在表示可用的单词意思

常见的答案是：使用一个分类系统，例如想WordNet一样，分类系统包含了上义词关系和同义词集合。

我们这种离散表示(discrete representation)方法的缺点

• 单词数量非常多但是忽视了单词之间的细微差别
  例如同义词：

adept, expert, good, practiced, proficient, skillful?

• 不能及时更新新单词：

wicked, badass, nifty, crack, ace, wizard, genius, ninja

• 具有主观性
• 需要人工创建和调整
• 很难准确地计算出单词相似性
  绝大数基于规则和统计学建立的NLP工作将单词当作最小单位（atomic symbols）：hotel, conference, walk
  但是在向量空间中，单词可以表示为具有1个1和很多0的one-hot向量：

这是一种局部表示（localist representation）

从符号（symbolic）到分布式表示（distributed representations）

符号表示存在自身的一些问题，比如对于web搜索：

• 如果我们搜索[Dell notebook battery size],我们可能得到含有“Dell laptop battery capacity”的文档
• 如果我们搜索[Seattle motel],可能匹配到含有“Seattle hotel”的文档。
  但是

查询和文档向量是正交的，所以one-hot向量不能体现出单词的相似性。
因此，我们需要找到一种可以直接用向量编码含义的方法。

基于分布相似性的表示方法

从上下文中推断一个单词的含义

下面是现代统计自然语言处理（NLP）最成功的思想之一：

通过向量定义单词的含义

通过为每个单词类型构建一个密集的向量，我们可以预测其上下文中出现的其他单词。

这些其他单词也是用向量表示，并且是可递归调整的。

学习神经网络词嵌入的基本思想

定义一个可以预测中心词上下文的模型：

所示函数：

其中，在一个很大语料库的不同位置获取上下文（不同的t），不断调整词向量以将损失最小化。

直接学习低维词向量

这种方法不是新颖的，下面是相关的研究论文和深度学习方法：

• Learning representations by back-propagating errors
  (Rumelhart et al., 1986)
• A neural probabilistic language model (Bengio et al., 2003)
• NLP (almost) from Scratch (Collobert & Weston, 2008)
• A recent, even simpler and faster model:
  word2vec (Mikolov et al. 2013) àintro now

2. Word2Vec的主要思路

一句话总结：

“在每个单词和单词上下文之间进行预测”

• 两个算法：
  1. Skip-Gram(SG)
     通过给出的中心词来预测上下文（假设单词之间相互独立）
  2. 连续词袋模型(CBOW)
     从上下文中预测中心词（目标词）
• 两个优化的训练方法：
  1. Hierarchical softmax
  2. Negative sampling（负采样）

Skip-Gram

3. 更多Word2Vec细节

对于每个单词（从1到T），我们预测窗口半径大小为m的上下文词汇。
目标函数：最大化预测中心词的上下文概率。

其中θ表示我们需要优化的所有参数。

目标函数-objective function

• 术语:Loss function = cost function = objective function
• 通用的概率分布损失:交叉熵损失(Cross-entropy loss)

Softmax函数：将R^V映射到概率分布的标准函数

下面是Skip-Gram的示意图：

4 .梯度的推导

目标函数：

以下面计算概率的公式：

具体的推导过程：

5. 损失/目标函数

梯度下降

-首先， 为了对整个训练数据最小化J(θ),需要计算出所有窗口的梯度

• 更新每个参数θ
• 步长为α
• 对于所有参数θ的矩阵表示：

批梯度下降(Vanilla Gradient Descent Code)

对于一个简单二元凸函数，下面轮廓线显示了目标函数变化：

随机梯度下降法

上面方法有以下弊端：

• 语料库非常大，具有40B的字符和窗口
• 每次参数更新需要等待很长时间

• 对于神经网络的效果很差
  所以我们采用下面的方法：

  
  
  

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• NLP Research Lab Part 1: Distributed Representations