详细介绍NLP文本分类

基于统计方法的文本分类

基于统计方法的文本分类是文本分类的主要方法之一。统计方法首先是对原始输入数据进行预处理，一般包括分词、数据清洗和数据统计等，然后人工抽取特征并选择具体的统计模型设计分类算法。
根据需要还可能进行特征选择和特征提取，常用的特征选择算法有文档频率、期望交叉熵、互信息等，特征提取转换原始的特征空间生成新的语义空间，能够较好地解决一词多义、一义多词等问题。
常用的统计模型包括朴素贝叶斯算法、支持向量机算法等。

朴素贝叶斯定理：
条件概率：事件A在另外一个事件B已经发生条件下的发生概率。条件概率表示为P(A|B)，读作“在B条件下A的概率”
先验概率：是指根据以往经验和分析得到的概率，它往往作为"由因求果"问题中的"因"出现的概率
后验概率：要以先验概率为基础。后验概率可以根据通过贝叶斯公式，用先验概率和似然函数计算出来
朴素贝叶斯定理公式：
朴素贝叶斯可以简单杯理解为：
朴素贝叶斯分类：
朴素贝叶斯分类是一种十分简单的分类算法，基于朴素贝叶斯算法原理进行文本分类：对于给出的待分类文本（假设是一条句子，或者一段文字），抽取它的文本特征（例如主题词），然后求解在该特征出现的条件下属于各个类别的概率，哪个最大，就认为此待分类文本属于哪个类别。

案例分析：
给定一段文档“在刚刚结束的一场 NBA 常规赛中，金州勇士队球星库里拿到了其个人职业生涯最高分，并带队取得胜利”。假设我们通过主题词抽取算法抽出的主题词为“NBA常规赛”“金州勇士”和“库里”，接下来我们要对这段文档进行文本分类，假设待选分类只有“体育新闻”和“娱乐新闻”两种类别，那么在新闻类别分类中，很显然，根据下面的公式，由于“体育新闻”中“NBA 常规赛”、“金州勇士”和“库里”等词出现的概率远远高于“娱乐新闻”中这些词的出现概率，因此该文档会大概率被分为“体育新闻”。

优点：
（1）对小规模的数据表现很好，能够处理多分类任务，适合增量式训练
（2）对缺失数据不太敏感，算法也比较简单，有稳定的分类效率。

缺点：
（1）理论上，朴素贝叶斯模型与其他分类方法相比具有最小的误差率。但是实际上并非总是如此，这是因为朴素贝叶斯模型假设属性之间相互独立，这个假设在实际应用中往往是不成立的，在属性个数比较多或者属性之间相关性较大时，分类效果不好。
（2）需要知道先验概率，且先验概率很多时候取决于假设，假设的模型可以有很多种，因此 在某些时候会由于假设的先验模型导致预测效果不佳。
（3）由于我们是通过先验和数据来决定后验的概率从而决定分类，因此分类决策存在一定的错误率。

基于朴素贝叶斯的文本分类方法代码实现：
对原始数据去除空格、数字、%0D%0A标点符号无效字符等处理；得到频率出现较高的前 100 个词；先调用机器学习算法库 sklearn 中MultinomialNB 建立朴素贝叶斯分类模型，用 fit() 函数对数据和标签进行训练；预测结果，结果为1表示垃圾邮件，否则为普通邮件。

import re
import os
from jieba import cut
from itertools import chain
from collections import Counter
import numpy as np
from sklearn.naive_bayes import MultinomialNB

def get_words(filename):
    words = []
    with open(filename, 'r', encoding='utf-8') as fr:
        for line in fr:
            line = line.strip()
            # 过滤无效字符
            line = re.sub(r'[.【】0-9、——。，！~\*]', '', line)
            # 使用jieba.cut()方法对文本切词处理
            line = cut(line)
            # 过滤长度为1的词
            line = filter(lambda word: len(word) > 1, line)
            words.extend(line)
    return words

all_words = []
def get_top_words(top_num):
    filename_list = ['邮件_files/{}.txt'.format(i) for i in range(151)]
    # 遍历邮件建立词库
    for filename in filename_list:
        all_words.append(get_words(filename))
    # itertools.chain()把all_words内的所有列表组合成一个列表
    # collections.Counter()统计词个数
    freq = Counter(chain(*all_words))
    return [i[0] for i in freq.most_common(top_num)]

top_words = get_top_words(100)
vector = []
for words in all_words:
    '''
    words:
    ['国际', 'SCI', '期刊', '材料', '结构力学', '工程', '杂志', '国际', 'SCI', '期刊', '先进', '材料科学',
    '材料', '工程', '杂志', '国际', 'SCI', '期刊', '图像处理', '模式识别', '人工智能', '工程', '杂志', '国际',
    'SCI', '期刊', '数据', '信息', '科学杂志', '国际', 'SCI', '期刊', '机器', '学习', '神经网络', '人工智能',
    '杂志', '国际', 'SCI', '期刊', '能源', '环境', '生态', '温度', '管理', '结合', '信息学', '杂志', '期刊',
    '网址', '论文', '篇幅', '控制', '以上', '英文', '字数', '以上', '文章', '撰写', '语言', '英语', '论文',
    '研究', '内容', '详实', '方法', '正确', '理论性', '实践性', '科学性', '前沿性', '投稿', '初稿', '需要',
    '排版', '录用', '提供', '模版', '排版', '写作', '要求', '正规', '期刊', '正规', '操作', '大牛', '出版社',
    '期刊', '期刊', '质量', '放心', '检索', '稳定', '邀请函', '推荐', '身边', '老师', '朋友', '打扰', '请谅解']
    '''
    word_map = list(map(lambda word: words.count(word), top_words))
    '''
    word_map:
    [0, 0, 0, 2, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
    0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0,
    10, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 2, 0, 0, 0, 0, 0,
    0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
    '''
    vector.append(word_map)
vector = np.array(vector)
# 0-126.txt为垃圾邮件标记为1；127-151.txt为普通邮件标记为0
labels = np.array([1]*127 + [0]*24)

model = MultinomialNB()
model.fit(vector, labels)
def predict(filename):
    """对未知邮件分类"""
    # 构建未知邮件的词向量
    words = get_words(filename)
    current_vector = np.array(
        tuple(map(lambda word: words.count(word), top_words)))
    # 预测结果
    result = model.predict(current_vector.reshape(1, -1))
    return '垃圾邮件' if result == 1 else '普通邮件'
print('151.txt分类情况：{}'.format(predict('邮件_files/151.txt')))
print('152.txt分类情况：{}'.format(predict('邮件_files/152.txt')))
print('153.txt分类情况：{}'.format(predict('邮件_files/153.txt')))
print('154.txt分类情况：{}'.format(predict('邮件_files/154.txt')))
print('155.txt分类情况：{}'.format(predict('邮件_files/155.txt')))

基于深度学习的文本分类

传统的机器学习方法存在的主要问题是文本表示是高维度、高稀疏的，特征表达能力很弱，而且神经网络很不擅长对此类数据的处理；此外需要人工进行特征工程，成本很高。
应用深度学习解决大规模文本分类问题最重要的是解决文本表示，利用神经网络结构自动获取特征表达能力，去掉繁杂的人工特征工程，端到端地解决问题。

CNN：

CNN能够在不改变输入序列的位置的情况下提取出显著的特征，具体到文本分类任务中可以利用 CNN 来提取句子中类似 n-gram 的关键信息。

卷积层： 一种滤波器，CNN特有，卷积层的激活函数使用的是ReLU。
卷积：对图像（不同的数据窗口数据）和滤波矩阵（一组固定的权重：因为每个神经元的多个权重固定，所以又可以看做一个恒定的滤波器filter）做内积。

池化层： 也叫下采样层，就算通过了卷积层，纬度还是很高 ，需要进行池化层操作。将输入张量的各个子矩阵进行维度压缩，有max和average两种方式。它夹在连续的卷积层中间，减小过拟合，具有特征不变性。

流程：
预处理 ：分析数据格式，并读入数据进行预处理，预处理的内容很多，包括去空行、去重等。
分词 ：对于中文来讲，要进行分词处理，分词后还要做去停用词等处理。
向量化 ：将句子进行编码，例如 one-hot、TF-IDF 等方式，也可以用基于分布式的低维实值词向量表示，使用词嵌入模型抽取词向量。
分类器 ：创建 CNN 模型，设置卷积、池化等操作，对输入数据进行训练。
评价 ：通过测试集测试分类结果，并评价分析。

文本分类代码实现：
1.数据处理：从原始数据集中选出标题前 2 个字为教育、健康、生活、娱乐和游戏的五个类别，同时每个类别各 5000 个样本数据。

2.CNN模型：基于 Pytorch 搭建的 CNN 网络结构，使用三层卷积层，将三层卷积输出后的向量拼接，经过全连接后输出测试样例属于每个类的概率。

3.模型训练、评估：经过 100 次迭代训练，每次训练后保存模型参数。

开放领域文本分类

传统的分类中，训练集和测试集有着相同的类别，在测试集中出现的类，即已知类别必须在训练集中出现。测试集中出现了训练集没出现过的类别，即未知类别，传统分类算法的性能会大幅下降。学者提出开放领域文本分类的概念及做法，用以区别传统的分类算法，在能够识别已知分类基础上，有效识别未知类别。

基于决策边界的方法：
未知的类别有着和已知类别完全不同的标签，故分类器不知道这些未知类别里面的文本所属于的具体类别，因此在分类时，统一地将这些未知类的数据归为未知类别。

区分未知类和已知类时，引入决策边界（decision boundary），所有的 known class 在边界的内部，unknown class 在边界的外部，外部的空间叫作开放空间（open space）。

决策边界的选择对于开放分类的效果及性能起着至关重要的作用，决策边界过大时，过多的 unknown 数据会被限定在决策边界之内，会被分类成 known class 中的类别，这种现象叫作开放空间风险（openspace risk），决策边界过小，又会使较多的 known class 数据分类为 unknown class，这种风险叫作经验风险。

开放领域文本分类算法的评价指标的选择，和普通的多分类指标大致相同，通常使用宏平均 F1（F1-macro）、准确率（accuracy）作为评价指标。开放领域文本分类是近几年提出的新概念，目前还没有的固定的解决方案，有待进一步的完善。