【转】Word2Vec原理之层次Softmax算法

本文转载自：http://qiancy.com/2016/08/17/word2vec-hierarchical-softmax/

 

在这个人工智能半边天，主流话题一天一变的现代世界里，不乏进步，也不乏泡沫，但Word2Vec依然是很富极客精神的典型代表，作者思路很巧妙，工程层面又很实用主义。

词嵌入的假设，是通过一个词所在的上下文可以获得词的语义甚至语法结构，有相似上下文的词在向量空间中是邻近的点。

1 背景概念

Word2Vec要解决的根本问题，说到底是自然语言处理的问题。一般认为自然语言处理模型氛围两大派系，分别是形式文法和统计语言模型。

1.1 统计语言模型

统计语言模型在分词、词性标注、语义理解等NLP基本任务，以及语音识别、机器翻译等领域有广泛应用。关于统计语言模型，文献资料非常多，这篇博客也讲的很详细。简单地说，可以用统一地形式化表示：

上述表示可以看做是用来计算词构成一个句子的概率模型，这就是统计语言模型的本质。但是概率的计算是个大问题，数据稀疏、参数过多，很难实际运用。前辈们研究了各种模型。例如n-gram、n-pos、决策树模型、最大熵模型等。

 

1.1.1 n-gram

基于马尔科夫假设，即认为每个词只与前面n−1个词（上下文）有关。例如3-gram：

至于n的选择，在NLP任务中，普遍认为只需使用2或3，而概率的计算实质为：

1.1.2 神经网络语言模型（NNLM）

Distributed Representation的代表，每个输入词都是一个实数向量，而模型包含输入层、投影层、隐藏层和输出层。这个直接读Bengio2003的论文《A Neural Probabilistic Language Model》。

1.1.3 Log-Bilinear模型

虽然与Word2Vec关系紧密，但与本文话题暂时不相干，所以暂不展开。可参考Hinton2007年的论文[5]

1.2 词向量

一般认为词向量作为概率语言模型的重要组成部分，其普及也主要是《A neural probabilistic language model》中用到的一种工具，简单说来任意词w，可以用一个固定长度的实值向量v来表示，这个v就是w的词向量。

具体地，词如何用向量来表示？通常认为有两种基本思路，一种称为One-hot Representation，而另一种叫做Distributed Representation。

One-hot的表示方法，非常稀疏, 每个词就是一个很长的向量，向量的维度就是词表的大小，而只有该词对应位置的数字是1，其他都是0。这种表示方法无法捕捉词与词之间的相似关系，且容易发生维数灾难。

Distributed的表示方法，Hinton在1986年提出，大致思想是用较低维度的实数向量来表示词，而用词之间的距离（例如余弦距离）来表示相似度。普遍认为这种方法能够较好地捕捉词与词之间的语义相似度。

许多模型或方法可以用来获取词向量，除了word2vec使用的模型外，LSA矩阵分解模型、pLSA潜在语义分析模型、LDA文档生成模型，也均可用来估计词向量。

例如一个一个size为30的词向量，可能是类似如下的样子：

2 数据结构

2.1 Huffman编码

Huffman编码是一种用于无损数据压缩的熵编码（权编码）算法。由大卫·霍夫曼在1952年发明。该方法通过一种变长编码表来对符号进行编码，而变长编码表是通过评估符号出现概率的方法得到，目标是出现概率高的符号使用较短的编码，出现概率低的符号则使用较长的编码。这种方式能有效降低编码之后的字符串的平均长度。

在谈论数据结构的时候，Huffman编码又称为最优二叉树，表示一种带权路径长度最短的二叉树。带权路径长度，指的就是叶子结点的权值乘以该结点到根结点的路径长度。

因此最短长度问题被转化为构建一个由字符（每个字符都是叶子结点）的出现频率作为权值所产生的Huffman树的问题。

详细解释参见维基百科。Huffman树的结构类似下图：



2.2 构造Huffman树

算法描述：假设有n个权值，则构造出来的Huffman树有n个叶子结点。若n个权值分别为{w1,w2,…,wn}。

1. 将{w1,w2,…,wn}当做n棵树（每棵树1个结点）组成的森林。
2. 选择根结点权值最小的两棵树，合并，获得一棵新树，且新树的根结点权值为其左、右子树根结点权值之和。词频大的结点作为左孩子结点，词频小的作为右孩子结点。
3. 从森林中删除被选中的树，保留新树。
4. 重复2、3步，直至森林中只剩下一棵树为止。

3 模型概要

3.1 CBOW

CBOW（Continuous Bag-of-Words Model）：在已知上下文，例如wt−2,wt−1,wt+1,wt+2的前提下，如何预测当前词wt。学习的目标函数是最大化对数似然函数：

3.2 Skip-gram

Skip-gram（Continuous Skip-gram Model）：在已知当前词wt的前提下，预测其上下文，例如wt−2,wt−1,wt+1,wt+2。目标函数形如：

3.3 模型比较

CBOW和Skip-gram均为三层神经网络（输入层、投影层和输出层），而上下文的词的具体个数是可定义的。窗口大小为5时，两个模型的网络结构如下：



同样用于计算概率值，从模型的计算方式看，skip-gram想要预测更多（上下文），一次会更比CBOW慢一些，但有观点认为对低频词效果更好一些。

4 算法策略

然而，上面的公式计算很不切实际，因为计算logp(wt+j|wt)的梯度与W的大小直接相关。为了降低复杂度，Word2Vec使用了Hierarchical Softmax和Negative Sampling两种求解策略。普遍认为Hierarchical Softmax对低频词效果较好；Negative Sampling对高频词效果较好，向量维度较低时效果更好。

4.1 Hierarchical Softmax

作为一种计算高效的近似方法，Hierarchical Softmax被广泛使用。Morin和Bengio[1]首先将这种方法引入神经网络语言模型。该方法不用为了获得概率分布而评估神经网络中的W个输出结点，而只需要评估大约log2(W)个结点。层次Softmax使用一种二叉树结构来表示词典里的所有词，V个词都是二叉树的叶子结点，而这棵树一共有V−1个非叶子结点。

对于每个叶子结点（词），总有一条从根结点出发到该结点的唯一路径。这个路径很重要，因为要靠它来估算这个词出现的概率。以下图为例（图来自Xin Rong,2014[6]），白色结点为词典中的词，深色是非叶子结点。图中画出了从根结点到词w2的唯一路径，路径长度L(w2)=4，而n(w,j)表示从根结点到词w2的路径上的的第j个结点。



在层次Softmax模型中，叶子节点的词没有直接输出的向量，而非叶子节点其实都有响应的输出向量。

4.1.1 求目标词的概率

在模型的训练过程中，通过Huffman编码，构造了一颗庞大的Huffman树，同时会给非叶子结点赋予向量。我们要计算的是目标词w的概率，这个概率的具体含义，是指从root结点开始随机走，走到目标词w的概率。因此在途中路过非叶子结点（包括root）时，需要分别知道往左走和往右走的概率。例如到达非叶子节点n的时候往左边走和往右边走的概率分别是：

以上图中目标词为w2为例，

到这里可以看出目标词为w的概率可以表示为：

其中θn(w,j)是非叶子结点n(w,j)的向量表示（即输出向量）；h是隐藏层的输出值，从输入词的向量中计算得来；sign(x,j)是一个特殊函数定义：

此外，所有词的概率和为1，即：

4.1.2 参数更新公式

θ(new)j=θ(old)j–η(σ(θjTh)−tj)h

其中，j=1,2,…,L(w)−1

4.2 Negative Sampling

Hierarchical Softmax的另一个替代方法叫做Noise Contrastive Estimation(NCE)，Gutmann和Hyvarinen[2]介绍了这种方法，而Mnih和Teh[3]将该方法应用到了语言模型中。然而，Skip-gram模型主要关注如何学习出更高质量的矢量表示。因此可以在确保矢量质量的情况下，尽量地简化NCE。

这部分内容这里暂时不展开。

5 预处理技巧

以下根据源代码来看下两个初始化环节。

5.1 词典构建

拿到sentences以后首先是创建词典，即从文本序列中创建一个词典。词典数据是一个词对应一个出现次数，词典的规模是可以定义的，有一个参数叫做max_vocab_size即是用来限定最大词典量的。因为这是创建词典的过程，一般希望出现频率较高的词被保留，而频率较低的词被略去。所以统计的过程中，如果当前词汇数超过max_vocab_size，则需要按略去词频低于min_reduce的词，初始化的时候，min_reduce为1。随着实际词典的增大，min_reduce有可能会递增。

5.2 SubSampling

全部扫过一遍词典后，需要再次考虑删去总体频率较低的词（出现次数少于min_count的长尾词）。不过，最重要的还是Subsampling。

SubSampling有时候被称作DownSampling，也曾有人译作亚采样，实际是对高频词进行随机采样，关于随机采样的选择问题，考虑高频词往往提供相对较少的信息，因此可以将高于特定词频的词语丢弃掉，以提高训练速度。Mikolov在论文指出这种亚采样能够带来2到10倍的性能提升，并能够提升低频词的表示精度。

采样参数sample表示采样百分比，默认是1e-3，Google推荐的是1e-3至1e-5。

其中f(wi)是词wi的词频，t是阈值。而这个是Mikolov论文里的说法，实际Word2Vec的代码，以及后续gensim的实现，都采用了如下公式来表示词wi被丢弃的概率：

或者这样写看起来简洁一些：

其中：NW是参与训练的单词总数，包含重复单词，实质即词频累加；vwi是词wi的词频。在gensim的实现中，对sample<1和sample≥1的情况区分对待，具体可去看gensim版源码。

参考

[1] Frederic Morin and Yoshua Bengio. Hierarchical probabilistic neural network language model. In Proceedings of the international workshop on artificial intelligence and statistics, pages 246–252, 2005.
[2] Michael U Gutmann and Aapo Hyv¨arinen. Noise-contrastive estimation of unnormalized statistical models, with applications to natural image statistics. The Journal of Machine Learning Research, 13:307–361, 2012.
[3] Andriy Mnih and Yee Whye Teh. A fast and simple algorithm for training neural probabilistic language models. arXiv preprint arXiv:1206.6426, 2012.
[4] Tomas Mikolov, Kai Chen, Gregory S. Corrado, and Jeffrey Dean. 2013a. Efficient estimation of word representations in vector space. In Proceedings of the International Conference on Learning Representations (ICLR).
[5] A. Mnih and G. Hinton. Three new graphical models for statistical language modelling. Proceedings of the 24th international conference on Machine learning, pages 641–648, 2007
[6] Rong X. word2vec parameter learning explained[J]. arXiv preprint arXiv:1411.2738, 2014.

Posted on 2016年8月17日 by cyqian in 研究 | Tagged CBOW, distributed, Hierarchical Softmax, hs, n-gram, NLP, NNLP, one-hot, Skip-gram, Subsampling, word embedding, word2vec, 亚采样, 原理, 层次Softmax, 统计自然语言处理, 自然, 自然语言处理, 词向量, 词嵌入 | 2 Comments