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NLP基础1_word-embedding

news 2025/6/25 8:27:16

基于github项目：https://github.com/shibing624/nlp-tutorial/tree/main

自然语言处理任务

1) 简单任务

拼写检查 Spell Checking
关键词检索 Keyword Search
同义词查找 Finding Synonyms

2) 中级任务

解析来自网站、文档等的信息

3) 复杂任务

机器翻译 Machine Translation
语义分析 Semantic Analysis
指代消解 Coreference
问答系统 Question Answering

文本表示

传统离散表示

在自然语言处理（Natural Language Processing，NLP）领域，文本表示是处理流程的第一步，主要是将文本转换为计算机可以运算的数字。

文本表示方法的技术演进：

符号表示法（Symbolic）

示例：词典编码「自然语言处理」→ {"自":1, "然":2, "语":3, "言":4, "处":5, "理":6}

from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer
corpus = ["自然语言处理 是 人工智能 的 重要 分支"]
vectorizer = CountVectorizer(token_pattern=r'\b\w+\b')
X = vectorizer.fit_transform(corpus)
print(vectorizer.get_feature_names_out())  # ['人工智能', '分支', '处理', '自然语言处理', '重要']

词袋模型（Bag-of-Words, BoW）

原理：忽略词序，统计每个词在文档中的出现次数

from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer
corpus = ["I love NLP.", "NLP is amazing!"]
vectorizer = CountVectorizer()
X = vectorizer.fit_transform(corpus)
print(X.toarray())  # 输出：[[1 1 1 0] [0 1 0 1]] 
print(vectorizer.vocabulary_)  # {'love': 2, 'nlp': 1, 'is': 3, 'amazing': 0}

例子1：

句1：Jane wants to go to Shenzhen 句2：Bob wants to go to Shanghai

使用两个例句来构造词袋： [Jane, wants, to, go, Shenzhen, Bob, Shanghai]

两个例句就可以用以下两个向量表示，对应的下标与映射数组的下标相匹配，其值为该词语出现的次数

句1：[1,1,2,1,1,0,0] 句2：[0,1,2,1,0,1,1]

TF-IDF（词频-逆文档频率）

原理：降低常见词权重，提升重要词权重
TF-IDF = TF(t, d) × IDF(t)

from sklearn.feature_extraction.text import TfidfVectorizer
corpus = ["The cat sat on the mat.", "Dog on mat."]
vectorizer = TfidfVectorizer()
X = vectorizer.fit_transform(corpus)
print(X.toarray())  # 非对称矩阵

优劣对比：

方法	优点	缺点
BoW	简单高效，易于实现	忽略词序、语义信息，维度灾难
TF-IDF	减少常见词干扰	仍无法捕捉语义关系

分布式表示（词嵌入）

核心思想：用稠密向量表示词语，捕获语义关联

Word2Vec

原理：通过上下文预测目标词（Skip-Gram）或反之（CBOW）

from gensim.models import Word2Vec
sentences = [["nlp", "is", "cool"], ["deep", "learning", "too"]]
model = Word2Vec(sentences, vector_size=100, window=5, min_count=1)
print(model.wv["nlp"])  # 输出100维向量

向量示例："king" - "man" + "woman" ≈ "queen"

GloVe（Global Vectors）

原理：基于全局词共现矩阵的加权最小二乘训练

from gensim.scripts.glove2word2vec import glove2word2vec
from gensim.models import KeyedVectors
glove2word2vec("glove.txt", "word2vec_format.txt")
model = KeyedVectors.load_word2vec_format("word2vec_format.txt")

优劣对比：

方法	优点	缺点
Word2Vec	高效捕获局部语义	未利用全局统计信息
GloVe	结合全局共现统计	训练速度较慢

上下文感知表示

核心突破：根据上下文动态调整词向量

ELMo（Embeddings from Language Models）

原理：双向LSTM生成上下文相关向量

from allennlp.modules.elmo import Elmo, batch_to_ids
options_file = "https://allennlp.s3.amazonaws.com/models/elmo/2x4096_512_2048cnn_2xhighway/elmo_2x4096_512_2048cnn_2xhighway_options.json"
weight_file = "https://allennlp.s3.amazonaws.com/models/elmo/2x4096_512_2048cnn_2xhighway/elmo_2x4096_512_2048cnn_2xhighway_weights.hdf5"
elmo = Elmo(options_file, weight_file, 1)
character_ids = batch_to_ids(["hello world"])
embeddings = elmo(character_ids)['elmo_representations'][0]

BERT（Bidirectional Encoder Representations）

原理：Transformer编码器 + Masked LM训练

from transformers import BertTokenizer, BertModel
tokenizer = BertTokenizer.from_pretrained('bert-base-uncased')
model = BertModel.from_pretrained('bert-base-uncased')
inputs = tokenizer("Hello NLP!", return_tensors="pt")
outputs = model(**inputs)
last_hidden_states = outputs.last_hidden_state  # [1, seq_len, 768]

向量示例：
同一词在不同上下文的BERT表示：

"bank" in "river bank" → [0.2, -0.7, ..., 0.4]
"bank" in "bank account" → [0.8, 0.1, ..., -0.3]

方法类型	典型代表	语义捕获	上下文敏感	训练成本	应用场景
传统离散表示	BoW, TF-IDF	弱	❌	极低	简单文本分类
静态词嵌入	Word2Vec	中等（静态）	❌	中等	关键词扩展、推荐
上下文动态嵌入	BERT	强	✔️	极高	语义理解、问答系统