深度学习(六) Word Embedding

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前言

前面我们已经了解了CNN卷积神经网络，这一篇文章我们将了解Word Embedding等词汇编码

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一、One-hot编码

1.为什么使用one-hot编码？

首先我们得知道传统的编码方式是怎么样的。传统的编码是通过统计类型出现次数的多少来进行编码的，也就是类别A出现的次数为m，类别B出现的次数为n,那么他们就分别编码为m，n。这样编码有可能导致求加权平均值的时候衍生成为其他类别，会体现不同类别的大小关系，误差较大。所以我们需要采用一种新的编码方式:one-hot编码(独热编码)

2.什么是one-hot编码？

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。

3.one-hot编码的优缺点

• 优点:

1. 解决了分类器不好处理离散数据的问题。使用 one-hot 编码，将离散特征的取值扩展到了欧式空间，离散特征的某个取值 就 对应欧式空间的某个点。将离散型特征使用 one-hot 编码，确实会让特征之间的距离计算更加合理
2. 在一定程度上也起到了 扩充特征 的作用。

• 缺点:

1. 它是一个词袋模型，不考虑词与词之间的顺序。
2. 它假设词与词相互独立，不能体现词汇间的相似性
3. 每个单词的one-hot编码维度是整个词汇表的大小，维度非常巨大，编码稀疏，会使得计算代价变大。

二、Word Embedding(词嵌入)

1.什么是Word Embedding?

将word看作最小的一个单元，将文本空间中的某个word，通过一定的方法，映射或者说嵌入（embedding）到另一个数值向量空间。
Word Embedding的输入是原始文本中的一组不重叠的词汇，将他们放到一个字典里面，例如：[“cat”, “eat”, “apple”]，就可以作为一个输入。
Word Embedding的输出就是每个word的向量表示,变成一个矩阵。

2.Word Embedding的优点:

1. 对比one-hot高维稀疏向量，embedding维度低，连续向量，方便模型训练；
2. 语意相似的词在向量空间上也会比较相近
3. 一个向量可以编码一词多义（歧义需要另外处理）；
4. 天然有聚类后的效果,，是一种无监督学习。
5. 罕见词也可以学到不错的表示。

3.基于计数的Word Embedding

1.基于计数的Word Embedding的优缺点

• 优点:

1. 训练非常迅速
2. 能够有效的利用统计信息。

• 缺点:

1. 主要用于获取词汇之间的相似性（其他任务表现差）
2. 给定大量数据集，重要性与权重不成比例。

2.Co-Occurence Vector(共现向量)

相似的单词趋向于有相似的上下文(context)，我们可以构建一套算法，来实现基于上下文的特征构建。
当我们设置Context Window大小为2，范围为前后两个word，那么对于such这个词，他的Context Window就是下面绿色部分。

对于He is not lazy. He is intelligent. He is smart.
以He这这个单词举例，他在词料库里面的所有Context Window里面与is为之共现的词语的次数就是共现矩阵中is的次数
这个语料库来说，共现矩阵应该为:

共现矩阵最大的优势是这种表示方法保留了语义信息，例如，通过这种表示，就可以知道哪些词语之间是相对较近的，哪些词语之间是相对较远的。

4.基于预测的Word Embedding

1.基于预测的Word Embedding的优缺点:

• 优点:

1. 能够对其他任务有普遍的提高
2. 能够捕捉到含词汇相似性外的复杂模式

• 缺点:

1. 由于词和向量是一对一的关系，所以多义词的问题无法解决
2. Word2vec 是一种静态的方式，虽然通用性强，但是无法针对特定任务做动态优化
3. 没有充分利用所有的语料有存在浪费

2.CBOW（continues bag of words）

对于该语料而言，我们先对其做一个one-hot编码，然后选取Context Window为2，那么模型中的就产生了一对input和target

1. 将产生的两个四维的vector输入到神经网络里面，连接激活函数。激活函数在输入层和隐藏层之间，每个input vector分别乘以一个VxN维度的矩阵，得到后的向量各个维度做平均，得到隐藏层的权重。隐藏层乘以一个NxV维度的矩阵，得到output layer的权重；
2. 由于隐藏层的维度设置为理想中压缩后的词向量维度。示例中假设我们想把原始的4维的原始one-hot编码维度压缩到2维，那么N=2；
3. 输出层是一个softmax层，用于组合输出概率。所谓的损失函数，就是这个output和target之间的的差（output的V维向量和input vector的one-hot编码向量的差），该神经网络的目的就是最小化这个loss；
4. 优化结束后，隐藏层的N维向量就可以作为Word-Embedding的结果。

如此一来，便得到了既携带上下文信息，又经过压缩的稠密词向量。

3.Skip – Gram

这个方法可以看作是CBOW的翻转版

5.Glove(Global Vectors for Word Representation)

Glove算法是一种基于全局词频统计的回归算法。它不是基于神经网络的，而是基于最小二乘原理的回归方法。
它结合了上面两种算法的优点，可以有效的利用全局的统计信息。
它的过程如下:

1. 根据语料库构建一个共现矩阵X,提出了一个衰减函数用于计算权重，也就是说距离越远的两个单词所占总计数的权重越小。
2. 构建词向量（Word Vector）和共现矩阵（Co-ocurrence Matrix）之间的近似关系，论文的作者提出以下的公式可以近似地表达两者之间的关系：
   $$w_i^T\widetilde{w_j}+b_i^T+\widetilde{b_j}=\log (X_{ij})$$
   $w_i^T$和$\widetilde{w_j}$都是待求解的词向量，$b_i^T$和$\widetilde{b_j}$都是偏置量
3. 构造LossFunction。这个loss function的基本形式就是最简单的MSE，只不过在此基础上加了一个权重函数，
   $$J=\sum _{i,j=1}^{V}f(X_{ij})(w_i^T\widetilde{w_j}+b_i^T+\widetilde{b_j}-\log (X_{ij}){)}^2$$

• 这些单词的权重要大于那些很少在一起出现的单词，所以这个函数要是非递减函数
• 但我们也不希望这个权重过大（overweighted），当到达一定程度之后应该不再增加；
• 如果两个单词没有在一起出现，他们应该不参与到loss function的计算当中去,所以$f(0)=0$
  

总结

本文介绍了Word Embedding，希望大家能从中获取到想要的东西，下面附上一张思维导图帮助记忆。