NLP_词的向量表示Word2Vec 和 Embedding

---

词向量

下面这张图就形象地呈现了词向量的内涵:把词转化为向量，从而捕捉词与词之间的语义和句法关系，使得具有相似含义或相关性的词语在向量空间中距离较近。

我们把语料库中的词和某些上下文信息，都“嵌入”了向量表示中。

将词映射到向量空间时，会将这个词和它周围的一些词语一起学习，这就使得具有相似语义的词在向量空间中靠得更近。这样，我们就可以通过向量之间的距离来度量词之间的相似性了。

Word2Vec：CBOW模型和Skip-Gram模型

稠密向量中的元素大部分为非零值。稠密向量通常具有较低的维度，同时能够捕捉到更丰富的信息。Word2Vec就是一种典型的稠密向量表示。稠密向量能够捕捉词与词之间的语义和语法关系，使得具有相似含义或相关性的词在向量空间中距离较近。

在自然语言处理中，稠密向量通常更受欢迎，因为它们能够捕捉到更多的信息，同时计算效率更高。下图直观地展示了二者的区别。

通过Word2Vec学习得到的向量可以捕捉到词与词之间的语义和语法关系。而且，这个算法比以前的方法更加高效，能够轻松地处理大规模的文本数据。因此，Word2Vec迅速流行起来。

具体来说，Word2Vec有两种主要实现方式:CBOW(Continuous Bag of Words，有时翻译为“连续词袋”)模型和Skip-Gram(有时翻译为“跳字”)模型，如下图所示。CBOW模型通过给定上下文词(也叫“周围词”)来预测目标词(也叫“中心词”);而Skip-Gram模型则相反，通过给定目标词来预测上下文词。这两个模型都是通过训练神经网络来学习词向量的。在训练过程中，我们通过最小化预测词和实际词之间的损失来学习词向量。当训练完成后，词向量可以从神经网络的权重中提取出来。

通过nn.Embedding来实现词嵌入

在PyTorch中，nn.Embedding是nn中的一个模块，它用于将离散的索引(通常是单词在词汇表中的索引)映射到固定大小的向量空间。在自然语言处理任务中，词嵌入是将单词表示为高维向量的一种常见方法。词嵌入可以捕捉单词之间的相似性、语义关系等。在训练过程中，嵌入层会自动更新权重以最小化损失函数，从而学习到有意义的词向量。

嵌入层的构造函数接收以下两个参数。

• num_embeddings :词汇表的大小，即唯一单词的数量。
• embedding_dim:词嵌入向量的维度。
  使用嵌入层有以下优点。
• 更简洁的代码:与线性层相比，嵌入层提供了更简洁、更直观的表示词嵌入的方式。这使得代码更容易理解和维护。
• 更高的效率:嵌入层比线性层更高效，因为它不需要进行矩阵乘法操作。它直接从权重矩阵中查找对应的行(嵌入向量)，这在计算上更高效。
• 更容易训练:嵌入层不需要将输入转换为One-Hot编码后的向量。我们可以直接将单词索引作为输入，从而减少训练的计算复杂性。

# 定义一个句子列表，后面会用这些句子来训练 CBOW 和 Skip-Gram 模型
sentences = ["Kage is Teacher", "Mazong is Boss", "Niuzong is Boss",
             "Xiaobing is Student", "Xiaoxue is Student",]
# 将所有句子连接在一起，然后用空格分隔成多个单词
words = ' '.join(sentences).split()
# 构建词汇表，去除重复的词
word_list = list(set(words))
# 创建一个字典，将每个词映射到一个唯一的索引
word_to_idx = {word: idx for idx, word in enumerate(word_list)}
# 创建一个字典，将每个索引映射到对应的词
idx_to_word = {idx: word for idx, word in enumerate(word_list)}
voc_size = len(word_list) # 计算词汇表的大小
print(" 词汇表：", word_list) # 输出词汇表
print(" 词汇到索引的字典：", word_to_idx) # 输出词汇到索引的字典
print(" 索引到词汇的字典：", idx_to_word) # 输出索引到词汇的字典
print(" 词汇表大小：", voc_size) # 输出词汇表大小

# 生成 Skip-Gram 训练数据
def create_skipgram_dataset(sentences, window_size=2):
    data = [] # 初始化数据
    for sentence in sentences: # 遍历句子
        sentence = sentence.split()  # 将句子分割成单词列表
        for idx, word in enumerate(sentence):  # 遍历单词及其索引
            # 获取相邻的单词，将当前单词前后各 N 个单词作为相邻单词
            for neighbor in sentence[max(idx - window_size, 0): 
                        min(idx + window_size + 1, len(sentence))]:
                if neighbor != word:  # 排除当前单词本身
                    # 将相邻单词与当前单词作为一组训练数据
                    data.append((neighbor, word))
    return data
# 使用函数创建 Skip-Gram 训练数据
skipgram_data = create_skipgram_dataset(sentences)
# 打印未编码的 Skip-Gram 数据样例（前 3 个）
print("Skip-Gram 数据样例（未编码）：", skipgram_data[:3])

# 定义 One-Hot 编码函数
import torch # 导入 torch 库
def one_hot_encoding(word, word_to_idx):    
    tensor = torch.zeros(len(word_to_idx)) # 创建一个长度与词汇表相同的全 0 张量  
    tensor[word_to_idx[word]] = 1  # 将对应词的索引设为 1
    return tensor  # 返回生成的 One-Hot 向量
# 展示 One-Hot 编码前后的数据
word_example = "Teacher"
print("One-Hot 编码前的单词：", word_example)
print("One-Hot 编码后的向量：", one_hot_encoding(word_example, word_to_idx))
# 展示编码后的 Skip-Gram 训练数据样例
print("Skip-Gram 数据样例（已编码）：", [(one_hot_encoding(context, word_to_idx), 
          word_to_idx[target]) for context, target in skipgram_data[:3]])

# 定义 Skip-Gram 模型
import torch.nn as nn # 导入 neural network
class SkipGram(nn.Module):
    def __init__(self, voc_size, embedding_size):
        super(SkipGram, self).__init__()
        # 从词汇表大小到嵌入大小的嵌入层（权重矩阵）
        self.input_to_hidden = nn.Embedding(voc_size, embedding_size)  
        # 从嵌入大小到词汇表大小的线性层（权重矩阵）
        self.hidden_to_output = nn.Linear(embedding_size, voc_size, bias=False) 
    def forward(self, X):
        hidden_layer = self.input_to_hidden(X)  # 生成隐藏层：[batch_size, embedding_size]
        output_layer = self.hidden_to_output(hidden_layer)  # 生成输出层：[batch_size, voc_size]
        return output_layer  
embedding_size = 2 # 设定嵌入层的大小，这里选择 2 是为了方便展示
skipgram_model = SkipGram(voc_size, embedding_size)  # 实例化 Skip-Gram 模型
print("Skip-Gram 模型：", skipgram_model)

# 训练 Skip-Gram 类
learning_rate = 0.001 # 设置学习速率
epochs = 1000 # 设置训练轮次
criterion = nn.CrossEntropyLoss()  # 定义交叉熵损失函数
import torch.optim as optim # 导入随机梯度下降优化器
optimizer = optim.SGD(skipgram_model.parameters(), lr=learning_rate)  
# 开始训练循环
loss_values = []  # 用于存储每轮的平均损失值
for epoch in range(epochs):
    loss_sum = 0 # 初始化损失值
    for context, target in skipgram_data:        
        X = torch.tensor([word_to_idx[target]], dtype=torch.long)  # # 输入是中心词
        y_true = torch.tensor([word_to_idx[context]], dtype=torch.long)  # 目标词是周围词
        y_pred = skipgram_model(X)  # 计算预测值
        loss = criterion(y_pred, y_true)  # 计算损失
        loss_sum += loss.item() # 累积损失
        optimizer.zero_grad()  # 清空梯度
        loss.backward()  # 反向传播
        optimizer.step()  # 更新参数
    if (epoch+1) % 100 == 0: # 输出每 100 轮的损失，并记录损失
        print(f"Epoch: {epoch+1}, Loss: {loss_sum/len(skipgram_data)}")  
        loss_values.append(loss_sum / len(skipgram_data))
# 绘制训练损失曲线
import warnings
warnings.filterwarnings("ignore")
import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline
from matplotlib.font_manager import FontProperties
font = FontProperties(fname='SimHei.ttf', size = 15)
# 绘制二维词向量图
#plt.rcParams["font.family"]=['SimHei'] # 用来设定字体样式
#plt.rcParams['font.sans-serif']=['SimHei'] # 用来设定无衬线字体样式
#plt.rcParams['axes.unicode_minus']=False # 用来正常显示负号
plt.plot(range(1, epochs//100 + 1), loss_values) # 绘图
plt.title(' 训练损失曲线 ', FontProperties = font) # 图题
plt.xlabel(' 轮次 ', FontProperties = font) # X 轴 Label
plt.ylabel(' 损失 ', FontProperties = font) # Y 轴 Label
plt.show() # 显示图

# 输出 Skip-Gram 习得的词嵌入
print("Skip-Gram 词嵌入：")
for word, idx in word_to_idx.items(): # 输出每个词的嵌入向量
    print(f"{word}: {skipgram_model.input_to_hidden.weight[idx].detach().numpy()}")

# 绘制二维词向量图
#plt.rcParams["font.family"]=['SimHei'] # 用来设定字体样式
#plt.rcParams['font.sans-serif']=['SimHei'] # 用来设定无衬线字体样式
#plt.rcParams['axes.unicode_minus']=False # 用来正常显示负号
fig, ax = plt.subplots() 
for word, idx in word_to_idx.items():
    # 获取每个单词的嵌入向量
    vec = skipgram_model.input_to_hidden.weight[idx].detach().numpy() 
    ax.scatter(vec[0], vec[1]) # 在图中绘制嵌入向量的点
    ax.annotate(word, (vec[0], vec[1]), fontsize=12) # 点旁添加单词标签
plt.title(' 二维词嵌入 ', FontProperties = font) # 图题
plt.xlabel(' 向量维度 1', FontProperties = font) # X 轴 Label
plt.ylabel(' 向量维度 2', FontProperties = font) # Y 轴 Label
plt.show() # 显示图

此外，因为nn.Embedding 是一个简单的查找表，所以input_to_hidden. weight的维度为[voc_size,embedding_size]。因此，当打印和可视化权重时，需要使用weight[idx] 来获取权重。

这个向量蕴含在 PyTorch的嵌入层中，可以通过embedding_size参数来调整它的维度。此处嵌入层的维度是2，但刚才说过，处理真实语料库时，嵌入层的维度一般来说有几百个，这样才可以习得更多的语义知识。其实，几百维的词向量，对于动辄拥有上万，甚至十万、百万个词的词汇表(《辞海》的词条数，总条目数近13万)来说，已经算是很“低”维、很稠密了。

所以，词向量或者说词嵌入的学习过程就是，通过神经网络来习得包含词的语义信息的向量，这个向量通常是几维到几百维不等，然后可以降维进行展示，以显示词和词之间的相似程度。如图所示。

这些词向量捕捉了词与词之间的关系之后，具有相似含义或用法的词在向量空间中会靠得更近。我们可以使用这些词向量作为其他自然语言处理任务(如文本分类、文本相似度比较、命名实体识别等)的输入特征。

Word2Vec之后的许多词嵌入方法，如G1oVe （Global Vectors for Word Representation）和fastText，也都是这样使用的。我们可以拿到别人已经训练好的词向量（G1oVe和fastText都提供现成的词向量供我们下载）作为输入，来完成我们的下游NLP任务;也可以利用PyTorch 的nn.Embedding，来针对特定语料库从头开始词嵌入的学习，然后再把学到的词向量（也就是经过nn.Embedding的参数处理后的序列信息）作为输入，完成下游NLP任务。

Word2Vec小结

Word2Vec对整个自然语言处理领域产生了巨大的影响。后来的许多词嵌入方法，如GloVe 和 fastText 这两种被广泛应用的词向量，都受到了Word2Vec的启发。如今，Word2Vec已经成为词嵌入领域的基石。它的出现使得更复杂的NLP任务，如文本分类、情感分析、命名实体识别、机器翻译等，处理起来更轻松。这主要是因为 Word2Vec 生成的词向量能够捕捉到单词之间的语义和语法关系。
然而，Word2Vec仍然存在一些局限性。

• (1)词向量的大小是固定的。Word2Vec这种“在全部语料上一次习得，然后反复使用”的词向量被称为静态词向量。它为每个单词生成一个固定大小的向量，这限制了模型捕捉词义多样性的能力。在自然语言中，许多单词具有多种含义，但 Word2Vec无法为这些不同的含义生成多个向量表示。
• (2)无法处理未知词汇。Word2Vec只能为训练过程中出现过的单词生成词向量。对于未知或低频词汇，Word2Vec无法生成合适的向量表示。虽然可以通过拼接词根等方法来解决这个问题，但这并非Word2Vec 本身的功能。

值得注意的是，Word2Vec本身并不是一个完善的语言模型，因为语言模型的目标是根据上下文预测单词，而Word2Vec主要关注生成有意义的词向量。尽管 CBOW和 Skip-Gram 模型在训练过程中学习了单词之间的关系，但它们并未直接对整个句子的概率分布进行建模。而后来的模型，如基于循环神经网络、长短期记忆网络和 Transformer 的模型，则通过对上下文进行建模，更好地捕捉到了语言结构，从而成为更为强大的语言模型。

---

学习的参考资料：
（1）书籍
利用Python进行数据分析
西瓜书
百面机器学习
机器学习实战
阿里云天池大赛赛题解析(机器学习篇)
白话机器学习中的数学
零基础学机器学习
图解机器学习算法

动手学深度学习（pytorch）

…

（2）机构
光环大数据
开课吧
极客时间
七月在线
深度之眼
贪心学院
拉勾教育
博学谷
慕课网
海贼宝藏
…