TF-IDF算法讲解和Java实现

一、 TF-IDF算法原理

TF-IDF是一种用于信息检索（information retrieval）与文本挖掘（text mining）的常用加权技术。TF-IDF是一种统计方法，用以评估某个字词对于一个语料库中的其中一份文本的重要程度。字词的重要性随着它在文本中出现的次数成正比增加，但同时会随着它在语料库中出现的频率成反比下降。TF-IDF加权的各种形式常被搜寻引擎应用，作为文件与用户查询之间相关程度的度量或评级。

TF-IDF的主要思想是：如果某个词或短语在一篇文章中出现的频率TF高，并且在其他文章中很少出现，则认为此词或者短语具有很好的类别区分能力，适合用来分类。TF-IDF实际上是：TF * IDF，TF词频(Term Frequency)，IDF逆文档频率(Inverse Document Frequency)。

TF-IDF的计算过程：

第一步，计算词频TF。（单个文本中某个词的词频）

第二步，计算逆文档频率IDF。（这里需要计算整个语料库，语料库由多个文本组成）

分母之所以要加1，是为了避免分母为0（即所有文档都不包含该词）。

第三步，计算TF-IDF。

TF-IDF算法的优点是简单快速，结果比较符合实际情况。缺点是，单纯以”词频”衡量一个词的重要性，不够全面，有时重要的词可能出现次数并不多。

示例：假如某篇文本分词后有1000个词，”旅游”出现20次，则”旅游”的”词频”（TF）为0.02。语料库共有10000个文本，而语料库中出现“旅游”这个词的文本共有100个，则”旅游”的“逆文档频率”（IDF）为log(10000 / 100)=2，则TF-IDF（旅游）=0.04。

二、 文本挖掘入门—IF-IDF的计算流程

1、语料库的获取

小编通过写爬虫采集了某个新闻网站的文本共计10000个，并存入TXT文档中。采集时进行了初步的清洗，即通过正则匹配去除网页标签、特殊格式等，获取到纯文本。

2、文本的分词

这里小编采用ansj_seg来进行分词。ansj是一个基于n-Gram+CRF+HMM的中文分词的java实现。ansj分词速度达到每秒钟大约200万字左右（mac air下测试），准确率能达到96%以上。Ansj目前实现了：中文分词、词性识别、中文姓名识别 、用户自定义词典、关键字提取、自动摘要、关键字标记等功能。可以应用到自然语言处理等方面，适用于对分词效果要求高的各种项目。

ansj_seg的使用请参考下面的文档地址，这里不再赘述：
项目的github地址：https://github.com/NLPchina/ansj_seg
项目的文档地址：http://nlpchina.github.io/ansj_seg/

3、IF-IDF的计算流程

对每篇文本进行分词处理，分词后循环计算该文本中每个词的TF值，当所有文本循环完后再次计算每个词的IDF值，最后计算TF-IDF并存入到TXT文档中。下面是整个流程的Java代码实现：

import java.io.BufferedReader;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileWriter;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.text.DecimalFormat;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Comparator;
import java.util.HashMap;
import java.util.HashSet;
import java.util.List;
import java.util.Map;
import java.util.Set;
import org.ansj.domain.Result;
import org.ansj.domain.Term;
import org.ansj.splitWord.analysis.NlpAnalysis;

/**
 *
 * @author X.H.Yang 
 * 计算文档的TF值 词频(TF)=某个词在文章中出现的次数/文章的总词数
 * 计算文档的IDF值 逆文档频率(IDF)=log(文档总数/包含改词的文档数)
 * 计算TF-IDF值：TF-IDF = 词频(TF)*逆文档频率(IDF)
 */
public class NewsTF {

    public static void main(String[] args) throws FileNotFoundException, UnsupportedEncodingException {
        DecimalFormat df = new DecimalFormat("######0.0000");
        //只关注这些词性的词
        Set expectedNature = new HashSet() {
            {
                add("n");
                add("nt");
                add("nz");
                add("nw");
                add("nl");
                add("ns");
                add("ng");
            }
        };
        //从本地读取采集好的语料库，每篇文档占用一行
        FileInputStream sampleFile = new FileInputStream("C:\\Users\\Administrator\\Desktop\\news.txt");
        InputStreamReader isr = new InputStreamReader(sampleFile, "UTF-8");
        String text = "";
        BufferedReader buread = new BufferedReader(isr);
        List.Entry>> Textlist = new ArrayList<>();
        try {
            while ((text = buread.readLine()) != null) {
                //正则匹配去除文本中的标点符号
                text = text.replaceAll("[\\pP+~$`^=|<>～｀＄＾＋＝｜＜＞￥×]", "");
                //采用nlp分词
                Result result = NlpAnalysis.parse(text);
                List terms = result.getTerms();
                //size用来统计每篇文档分词后的总词数
                double size = 0.0;
                Map dict = new HashMap<>();
                for (int i = 0; i < terms.size(); i++) {
                    String key = terms.get(i).getName();
                    String natureStr = terms.get(i).getNatureStr(); //拿到词性
                    if (expectedNature.contains(natureStr)) {
                        size++;
                        if (dict.containsKey(key)) {
                            double count = dict.get(key) + 1;
                            dict.put(key, count);
                        } else {
                            dict.put(key, 1.0);
                        }
                    }
                }
                List.Entry> list = new ArrayList<>();
                for (Map.Entry entry : dict.entrySet()) {
                    Double tf = entry.getValue() / size;
                    entry.setValue(tf);
                    list.add(entry); //将map中的元素放入list中
                }
                Textlist.add(list);
                System.out.println(list.size());
            }
            int index = 0;
            for (List.Entry> entry : Textlist) {
                index ++;
                for (Map.Entry each : entry) {
                    String key = each.getKey();
                    Double idf = getIDF(key, Textlist);
                    Double tf_idf = each.getValue() * idf;
                    each.setValue(Double.valueOf(df.format(tf_idf)));
                }
                entry.sort(new Comparator.Entry>() {
                    @Override
                    public int compare(Map.Entry o1, Map.Entry o2) {
                        Double d1 = o1.getValue();
                        Double d2 = o2.getValue();
                        return d2.compareTo(d1);
                    }
                    //逆序（从大到小）排列，正序为“return o1.getValue()-o2.getValue”
                });
                System.out.println("处理了"+index+"篇文档");
            }
            saveTextTF(Textlist, "E:\\DataMiningLearn\\TextTFIDF.txt");
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.toString());
        }
    }

    //计算IDF值
    public static double getIDF(String key, List.Entry>> Textlist) {
        try {
            Double count = 0.0;
            for (List.Entry> entry : Textlist) {
                for (Map.Entry each : entry) {
                    if (key.equals(each.getKey())) {
                        count++;
                        break;
                    }
                }
            }
            Double idf = Math.log(Textlist.size() / (count + 1));
            return idf;
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.toString());
            return 0.0;
        }
    }

    public static void saveTextTF(List.Entry>> list, String path) throws IOException {
        // TODO Auto-generated method stub  
        System.out.println("保存TF-IDF值");
        int countLine = 0;
        File outPutFile = new File(path);
        //if file exists, then delete it
        if (outPutFile.exists()) {
            outPutFile.delete();
        }
        //if file doesnt exists, then create it
        if (!outPutFile.exists()) {
            outPutFile.createNewFile();
        }
        FileWriter outPutFileWriter = new FileWriter(outPutFile);
        for (List.Entry> entry : list) {
            for (Map.Entry each : entry) {
                outPutFileWriter.write(each.getKey() + ":" + each.getValue() + ",");
            }
            outPutFileWriter.write("\n");
        }
        outPutFileWriter.close();
        System.out.println("属性词个数：" + countLine);
    }

}

采集的语料库示例：

每篇文档的TF-IDF值：（值按大到小排序）