词向量模型Word2Vec

1.词向量模型通俗解释

1.1Word2Vec

• 自然语言处理-词向量模型-Word2Vec

• 在自然语言处理(NLP)过程中，每个字中间有顺序

• 比如对一个人进行打分，我们不能只看外在(Extraversion)打分，只在其中一个层面进行描述，而是要结合多个特点Trait，综合各项指标进行打分

• 而仅仅是2维可能是不够的，50维肯定是够的，但是300维计算更精确，通常数据的维度越高，能提供的信息也就越多，从而计算结果的可靠性就更值得信赖

• 向量和向量之间可以做相似度的计算，先得将词向量构建好
  

• 假设现在已经将每个词转化成了50维的向量(如下图所示)

• 计算机能认识，我们不知道是如何进行转化的，相当于一个编码，我们只需要将向量训练出来，剩下如何去评估，如何去衡量，都交给计算机就足够了

• 在下图中，我们可以观察到man和boy的颜色分布相似度很大，如果看数值的话，对比不是很明显
• 再对比water和man颜色分布差别就很大

1.2如何训练词向量

• 比如，左边Thou是第一个词，shalt是第二个词，右边是输出
• 输出相当于神经网络多分类的结果，比如在100个词中，看看对应的哪个词可能性是最高的

• 词库表(Look up embeddings)
• 在输入神经网络之前，我们需要在词库表中找到对应的词向量，然后得到右边的输出结果
• 大表一开始是随机进行初始化的，比如现在所有文本当中一共包含一千个词，我们先将一千个词列出来，然后跟神经网络的权重初始化是一样的，随机构造一些初始化的策略，然后就随便初始化一些向量
• 神经网络在计算过程中，前向传播计算的是loss，反向传播是通过loss去更新权重参数，而此时在Word2Vec中，不光会更新整个神经网络模型权重参数矩阵，连输入也会进行更新，相当于大表是随机进行初始化的
• 随着训练的进行，每次都会将训练的数据进行更新，一旦训练了100万次之后，就其中的每个词都进行了很多次更新，越进行更新，神经网络学得越好，学得越好的情况下，计算机能表达出当前词向量，也能把下一个词猜得更准确一些

1.3构建训练数据

• 数据：一切可用的文本、图像都可以作为数据进行输入，比如小说中的“今天”跟新闻中的“今天”表达的是一个含义，所以“今天”可以运用在任何场景
• 当我们拿到一句话(Thou shalt not make a machine in the likeness of a human mind)之后，假设窗口大小为3，那么A(Thou)和B(shalt)相当于两个输入，再输出就是C(not)，这就是第一个训练数据(如下图第一行)
• 将窗口往右边进行滑动，那么原来的B窗口的位置变成了之前窗口C对应的字母，即输入和输出不一样了，这样就形成了第二个训练数据(如下图第二行)
• 总结步骤：自己组建滑动窗口大小，记录输入输出，再进行滑动，所以说当前任务并不是有监督的数据集，因为无论什么数据拿过来都是可以做的，但是一定得是有逻辑才是可以用的
  

2.CBOW与Skip-gram模型对比

2.1CBOW模型

• continuous bag of words（连续词袋模型）

• 如下图，输入是上下文，输出是中间缺的词

• 比如窗口是5，那么四个输入分别是by 、a 、bus 、 in ，输出就是red，也就是该空是red

2.2Skip-gram模型

• 下图左边是CBOW模型，输入唯独少了t，因为t是要输出的
• 下图右边是Skip-gram模型，只有输入t，然后预测四个输出

• 下图就是Skip-gram模型的滑动窗口，每个input word都对应四个target word

2.2.1如何对Skip-gram模型进行训练

• 通过前向传播，我们得到Error值
• 再通过Error值，反向传播，看看权重参数如何进行更新
• 对比之前的神经网络是得到loss值，然后反向传播去更新$w$，因为$wx=f$，所以对$w$求偏导$\frac{\partial f}{\partial w}$
• 而该模型是即要对$w$求$\frac{\partial f}{\partial w}$，也要对$x$求$\frac{\partial f}{\partial x}$，$w$和$x$都要更新

• 对于语料库稍微大一些的，可能的结果太多了，最后一层相当于softmax，计算起来十分耗时
• 下图上半部分表示，not是输入，thou是其输出，但是计算机预测not后面输出的值可能性太多了
• 下图下半部分表示，not thou是输入，输出为thou是not后面词的概率值
  

2.2.2负采样方案

• 上述的方案，判断not后面是thou还是不是thou，变成了一个二分类，也就是target值为0或者1，如果一段文字上下文中not后面的值有四种，那么对应到表格中target值就均为1，无法进行较好的训练
  
• 改进方案：加入一些负样本（负采样模型）
• 人为的创建一些词，使得target值为0，例如，not 后面不能加I，记为Negative examples负样本、
• 负采样的个数一般5个就行了，因为工具包Gehsim（一个非常好的工具包），默认参数是5个

• 如下图左边是原模型训练方案，而右边是我们加入了负样本Negative Sampling
• target进行了改变，1意味着是其后面的单词，0意味着不是后面的单词

2.2.3词向量训练过程

• 下图左侧绿色的Embedding是词向量大表（意思是有所有的词向量），紫色的Context是对于output
  word的一个结果，我们在更新过程中只更新输入

• 下图绿色代表输入，紫色代表输出
• 在不断的训练之后，这个词汇表Embedding就越更新越准，当每个词对应的四维向量训练好了，都迭代更新完了，就相当于Word2Vec就完整的训练好了，每一个词对应向量拿到手了，就相当于完成了词向量模型，最终的目的就是想得到一个词最终用向量表达是什么，

• 再通过神经网络返向传播来计算更新，此时不光更新权重参数矩阵$w$，也会更新书输入数据
• 下表中input*output是计算神经网络前向传播，sigmoid是二分类任务，Error是当前损失函数的结果，通过Error数值进行反向传播，更新数据$w$和$x$