one-hot向量与word2vec
one-hot向量与word2vec
one-hot向量
1.1 one-hot编码
什么是one-hot编码？one-hot编码，又称独热编码、一位有效编码。其方法是使用N位状态寄存器来对N个状态进行编码，每个状态都有它独立的寄存器位，并且在任意时候，其中只有一位有效。举个例子，假设我们有四个样本（行），每个样本有三个特征（列），如图： 
上图中我们已经对每个特征进行了普通的数字编码：我们的feature_1有两种可能的取值，比如是男/女，这里男用1表示，女用2表示。那么one-hot编码是怎么搞的呢？我们再拿feature_2来说明：
这里feature_2 有4种取值（状态），我们就用4个状态位来表示这个特征，one-hot编码就是保证每个样本中的单个特征只有1位处于状态1，其他的都是0。
对于2种状态、三种状态、甚至更多状态都是这样表示，所以我们可以得到这些样本特征的新表示：
one-hot编码将每个状态位都看成一个特征。对于前两个样本我们可以得到它的特征向量分别为
1.2 one-hot在提取文本特征上的应用
one hot在特征提取上属于词袋模型（bag of words）。关于如何使用one-hot抽取文本特征向量我们通过以下例子来说明。假设我们的语料库中有三段话：
我爱中国
爸爸妈妈爱我
爸爸妈妈爱中国
我们首先对预料库分离并获取其中所有的词，然后对每个此进行编号：
1 我； 2 爱； 3 爸爸； 4 妈妈；5 中国
然后使用one hot对每段话提取特征向量：
；
；
因此我们得到了最终的特征向量为
我爱中国 -> 1，1，0，0，1
爸爸妈妈爱我 -> 1，1，1，1，0
爸爸妈妈爱中国 -> 0，1，1，1，1
优缺点分析
优点：一是解决了分类器不好处理离散数据的问题，二是在一定程度上也起到了扩充特征的作用（上面样本特征数从3扩展到了9）
缺点：在文本特征表示上有些缺点就非常突出了。首先，它是一个词袋模型，不考虑词与词之间的顺序（文本中词的顺序信息也是很重要的）；其次，它假设词与词相互独立（在大多数情况下，词与词是相互影响的）；最后，它得到的特征是离散稀疏的。
sklearn实现one hot encode
from sklearn import preprocessing
enc = preprocessing.OneHotEncoder() # 创建对象
enc.fit([[0,0,3],[1,1,0],[0,2,1],[1,0,2]]) # 拟合
array = enc.transform([[0,1,3]]).toarray() # 转化
print(array)word2vec得到词向量
word2vec是如何得到词向量的？这个问题比较大。从头开始讲的话，首先有了文本语料库，你需要对语料库进行预处理，这个处理流程与你的语料库种类以及个人目的有关，比如，如果是英文语料库你可能需要大小写转换检查拼写错误等操作，如果是中文日语语料库你需要增加分词处理。这个过程其他的答案已经梳理过了不再赘述。得到你想要的processed corpus之后，将他们的one-hot向量作为word2vec的输入，通过word2vec训练低维词向量（word embedding）就ok了。不得不说word2vec是个很棒的工具，目前有两种训练模型（CBOW和Skip-gram），两种加速算法（Negative Sample与Hierarchical Softmax）。于是我主要理解word2vec如何将corpus的one-hot向量（模型的输入）转换成低维词向量（模型的中间产物，更具体来说是输入权重矩阵），真真切切感受到向量的变化，不涉及加速算法。
1 Word2Vec两种模型的大致印象
刚才也提到了，Word2Vec包含了两种词训练模型：CBOW模型和Skip-gram模型。
CBOW模型根据中心词W(t)周围的词来预测中心词
Skip-gram模型则根据中心词W(t)来预测周围词
抛开两个模型的优缺点不说，它们的结构仅仅是输入层和输出层不同。请看：
CBOW模型
Skip-gram模型
这两张结构图其实是被简化了的，读者只需要对两个模型的区别有个大致的判断和认知就ok了。接下来我们具体分析一下CBOW模型的构造，以及词向量是如何产生的。理解了CBOW模型，Skip-gram模型也就不在话下啦。
2 CBOW模型的理解
其实数学基础及英文好的同学可以参照斯坦福大学Deep Learning for NLP课堂笔记。
当然，懒省事儿的童鞋们就跟随我的脚步慢慢来吧。
先来看着这个结构图，用自然语言描述一下CBOW模型的流程：
CBOW模型结构图
（花括号内{}为解释内容.）
- 输入层：上下文单词的onehot. {假设单词向量空间dim为V，上下文单词个数为C}
- 所有onehot分别乘以共享的输入权重矩阵W. {V*N矩阵，N为自己设定的数，初始化权重矩阵W}
- 所得的向量 {因为是onehot所以为向量} 相加求平均作为隐层向量, size为1*N.
- 乘以输出权重矩阵W’ {N*V}
- 得到向量 {1*V} 激活函数处理得到V-dim概率分布 {PS: 因为是onehot嘛，其中的每一维斗代表着一个单词}，概率最大的index所指示的单词为预测出的中间词（target word）
- 与true label的onehot做比较，误差越小越好
所以，需要定义loss function（一般为交叉熵代价函数），采用梯度下降算法更新W和W’。训练完毕后，输入层的每个单词与矩阵W相乘得到的向量的就是我们想要的词向量（word embedding），这个矩阵（所有单词的word embedding）也叫做look up table（其实聪明的你已经看出来了，其实这个look up table就是矩阵W自身），也就是说，任何一个单词的onehot乘以这个矩阵都将得到自己的词向量。有了look up table就可以免去训练过程直接查表得到单词的词向量了。
这回就能解释题主的疑问了！如果还是觉得我木有说明白，别着急！跟我来随着栗子走一趟CBOW模型的流程！
3 CBOW模型流程举例
假设我们现在的Corpus是这一个简单的只有四个单词的document：
{I drink coffee everyday}
我们选coffee作为中心词，window size设为2
也就是说，我们要根据单词”I”,”drink”和”everyday”来预测一个单词，并且我们希望这个单词是coffee。
假设我们此时得到的概率分布已经达到了设定的迭代次数，那么现在我们训练出来的look up table应该为矩阵W。即，任何一个单词的one-hot表示乘以这个矩阵都将得到自己的word embedding。