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机器学习算法篇(十三)------词向量转化的算法思想详解与基于词向量转换的文本数据处理的好评差评分类实战(NPL基础实战)

news 2025/8/18 17:08:20

一、词向量原理介绍

(1). 词向量的核心概念

(2). 传统文本表示的局限性

1. 独热编码（One-Hot Encoding）

2. 词袋模型（Bag of Words）

3. TF-IDF

(3). 词向量的核心原理

(4). 主流词向量模型

1. Word2Vec（2013，Mikolov et al.）

（1）CBOW（Continuous Bag-of-Words）

（2）Skip-gram

Word2Vec 的优化技巧

2. GloVe（Global Vectors for Word Representation，2014）

3. FastText（2016，Facebook）

4. 上下文相关词向量模型

（1）ELMo（Embeddings from Language Models，2018）

（2）BERT 及后续模型（2018 - 至今）

(5). 词向量的训练流程

(6). 词向量的应用场景

(7). 词向量的局限性与发展趋势

局限性

发展趋势

总结

二、代码实现和实战案例

1. 代码API详解

1. 核心参数（初始化时设置）

词汇表相关参数

2. 核心方法

3. 注意事项

2. 实战案例：好评差评判

我们分段解析一下该案例代码流程:

(1) 导入库

(2) 读取数据并分词

(3) 去除停用词

(4) 朴素贝叶斯分类

4.1 给每个数据添加数字标签

4.2 数据切分

4.3 将所有的词转换为词向量

4.4 训练朴素贝叶斯分类器并进行预测

4.5 交互式预测

三、总结（完整保留）

一、词向量原理介绍

在自然语言处理（NLP）领域，词向量（Word Embedding）是将文本中的词语转换为数值向量的技术，它解决了传统文本表示方法的局限性，为机器学习模型理解语言语义提供了基础。以下从概念、发展历程、核心原理、主流模型、应用场景等方面详细介绍词向量。

(1). 词向量的核心概念

词向量是词语的数值化表示，其核心思想是：将每个词语映射到一个低维稠密的实数向量空间中，使得向量之间的距离（如余弦相似度）能够反映词语的语义关联 ——语义相近的词语，其向量表示也相近。

例如：

"国王" 和 "女王" 的向量差异，可能与 "男人" 和 "女人" 的向量差异相似；
"猫" 和 "狗" 的向量距离，会比 "猫" 和 "汽车" 的距离更近。

(2). 传统文本表示的局限性

在词向量出现之前，主流的文本表示方法存在明显缺陷，这也凸显了词向量的必要性：

1. 独热编码（One-Hot Encoding）

原理：为每个词语分配一个唯一索引，向量中仅对应索引位置为 1，其余为 0。
缺陷：
- 维度灾难：词汇表大小为 N 时，向量维度为 N（十万级），计算效率极低。
- 语义鸿沟：向量之间是正交关系（相似度为 0），无法体现词语间的关联（如 "苹果" 和 "水果"）。

2. 词袋模型（Bag of Words）

原理：用词语的出现频率表示文本，忽略语序和语法。
缺陷：丢失语义和上下文信息，高频无意义词（如 "的""是"）会干扰模型。

3. TF-IDF

原理：通过词频（TF）和逆文档频率（IDF）加权，突出重要词语。
缺陷：仍未解决语义表示问题，无法捕捉词语的多义性（如银行英文单词 "bank" 可指金融机构或河岸）。

(3). 词向量的核心原理

词向量的本质是通过上下文学习词语的语义表示，其理论基础是分布式假设（Distributional Hypothesis）：

"A word is characterized by the company it keeps"（词语的语义由其上下文环境决定）。

例如，"苹果" 常出现在 "吃""水果""甜" 等词语附近，而 "华为" 常出现在 "手机""科技""品牌" 附近，通过学习这些上下文关联，模型能区分两者的语义。

(4). 主流词向量模型

1. Word2Vec（2013，Mikolov et al.）

Word2Vec 是最经典的词向量模型，通过简化神经网络结构实现高效训练，包含两种架构：

（1）CBOW（Continuous Bag-of-Words）

原理：用上下文词语预测中心词。例如，输入 "[我] [爱] [吃] [水果]"，预测中心词 "苹果"。
优势：训练速度快，适合大规模语料。

（2）Skip-gram

原理：用中心词预测上下文词语。例如，输入 "苹果"，预测上下文 "我""爱""吃""水果"。
优势：对低频词更友好，语义表示更精准。

Word2Vec 的优化技巧

负采样（Negative Sampling）：通过抽样负例（非上下文词语）简化损失计算，替代传统的 softmax。
层次 softmax（Hierarchical Softmax）：用哈夫曼树减少输出层计算量，提升效率。

2. GloVe（Global Vectors for Word Representation，2014）

原理：结合全局词共现统计和局部上下文预测，通过构建词共现矩阵，用最小二乘损失优化向量表示。
优势：同时利用全局统计信息和局部上下文，在语义相似度任务上表现优于 Word2Vec。

3. FastText（2016，Facebook）

原理：将词语拆分为n-gram 子词（Subword），例如 "apple" 拆分为 "<ap""app""ppl""ple""le>"（< 和 > 表示边界）。
优势：
- 解决未登录词（OOV，Out-of-Vocabulary）问题：通过子词组合表示新词。
- 对形态丰富的语言（如德语、法语）更友好。

4. 上下文相关词向量模型

传统模型（如 Word2Vec、GloVe）生成的是静态词向量（一个词对应一个向量），无法处理多义词。而上下文相关模型能根据语境动态生成向量：

（1）ELMo（Embeddings from Language Models，2018）

原理：基于双向 LSTM 的预训练语言模型，为每个词语生成上下文相关向量（同一词在不同句子中向量不同）。
示例："他坐在银行边" 和 "他去银行取钱" 中，"银行" 的向量不同。

（2）BERT 及后续模型（2018 - 至今）

原理：基于 Transformer 架构的预训练模型，通过 "掩码语言模型（MLM）" 和 "下一句预测（NSP）" 任务学习深层语义。
优势：能捕捉更复杂的上下文依赖和语义细微差别，是当前 NLP 任务的主流基础模型。

(5). 词向量的训练流程

语料准备：收集大规模文本数据（如新闻、书籍、网页），进行预处理（分词、去停用词、 lowercase 等）。
词汇表构建：统计语料中出现的词语，过滤低频词，建立词汇表。
模型训练：选择 Word2Vec、GloVe 等模型，设置向量维度（通常 50-300）、窗口大小（上下文范围）等超参数，用语料训练模型。
向量应用：训练完成后，每个词语对应一个向量，可直接用于下游任务（如文本分类、相似度计算）。

(6). 词向量的应用场景

语义相似度计算：通过向量余弦相似度衡量词语 / 句子的语义关联（如搜索引擎中的 "相关推荐"）。
文本分类与聚类：将词向量作为特征输入分类模型（如情感分析：判断 "这部电影很棒" 为正面情绪）。
机器翻译：词向量帮助模型对齐不同语言的语义（如 "狗" 和 "dog" 的向量在空间中接近）。
问答系统与对话机器人：通过词向量理解用户问题的语义，匹配最相关的答案。
推荐系统：基于用户评论的词向量分析偏好，实现个性化推荐（如 "喜欢科幻电影的用户可能也喜欢科幻小说"）。

(7). 词向量的局限性与发展趋势

局限性

静态词向量无法处理多义性（如 "苹果" 既指水果也指公司）。
依赖大规模高质量语料，低资源语言（如小语种）表现较差。
难以捕捉复杂语义关系（如因果关系、隐喻）。

发展趋势

上下文相关向量：BERT、GPT 等预训练模型成为主流，动态生成词语向量。
多模态词向量：融合文本、图像、语音等信息，提升语义表示的丰富性（如 "猫" 的向量同时关联图片特征）。
低资源语言优化：通过迁移学习（如用英语模型初始化小语种模型）提升效果。

总结

词向量是自然语言处理的核心技术，它将离散的词语转换为连续的向量空间表示，使机器学习模型能够 “理解” 语义。从早期的 Word2Vec 到如今的 BERT，词向量的发展推动了 NLP 任务的性能飞跃。尽管存在局限性，但词向量仍是连接文本与机器学习的重要桥梁，在各类实际应用中发挥着关键作用

二、代码实现和实战案例

1. 代码API详解

sklearn.feature_extraction.text.CountVectorizer是 scikit-learn 库中用于将文本数据转换为词频矩阵（词向量）的核心工具，它能将一系列文本文档转换为一个基于词频计数的数值特征矩阵，是文本分类、情感分析等自然语言处理任务的基础预处理工具。

1. 核心参数（初始化时设置）

词汇表相关参数

input：指定输入数据的类型，默认为'content'（直接处理文本内容），可选'filename'（处理文件路径）或'file'（处理文件对象）。
encoding：文本编码格式，默认为'utf-8'，用于读取文本时解析字符。
decode_error：处理编码错误的方式，默认为'strict'（报错），可选'ignore'（忽略错误）或'replace'（替换错误字符）。
strip_accents：是否去除字符的重音符号，可选None（不处理）、'ascii'（仅对 ASCII 字符有效）或'unicode'（对所有 Unicode 字符有效）。
lowercase：是否将所有文本转换为小写，默认为True，有助于统一词汇格式（如 "Hello" 和 "hello" 视为同一词）。
preprocessor：自定义预处理函数，用于在分词前对文本进行处理（如去除特殊符号），默认为None（使用内置处理）。
tokenizer：自定义分词函数，默认为None（使用内置的空格分词），中文场景中常需替换为jieba.lcut等分词工具。
stop_words：指定停用词表，默认为None，可选'english'（使用内置英文停用词），或传入自定义停用词列表（如中文停用词）。
token_pattern：分词的正则表达式模式，默认为r"(?u)\b\w\w+\b"（匹配至少 2 个字符的单词），中文场景中通常需要修改或禁用。
ngram_range：提取 n-gram 的范围，默认为(1, 1)（仅提取单个词），如(1, 2)表示同时提取 1-gram（单个词）和 2-gram（连续两个词）。
analyzer：指定分析单位，默认为'word'（按词分析），可选'char'（按字符分析）或'char_wb'（按字符分析但不跨越词边界）。
max_df：词的最大文档频率阈值，默认为1.0（所有文档），可设为浮点数（比例）或整数（绝对数量），过滤在过多文档中出现的词（如通用词汇）。
min_df：词的最小文档频率阈值，默认为1，过滤在过少文档中出现的词（如稀有词）。
max_features：词汇表的最大规模，默认为None（不限制），若设为整数 N，则只保留词频最高的前 N 个词。
vocabulary：自定义词汇表，默认为None，若传入字典（{词：索引}），则仅使用该词汇表中的词。
binary：是否将词频转换为二进制指示（1 表示出现，0 表示未出现），默认为False（保留实际计数）。
dtype：输出矩阵的数据类型，默认为numpy.int64，可改为numpy.float32等节省内存。

2. 核心方法

fit(raw_documents)：根据输入的文本数据（raw_documents）构建词汇表，统计词频并确定最终保留的词。
transform(raw_documents)：使用已构建的词汇表，将输入文本转换为词频矩阵（稀疏矩阵）。
fit_transform(raw_documents)：合并fit和transform步骤，先构建词汇表，再直接转换文本，效率高于单独调用。
get_feature_names_out()：返回词汇表中的所有词（按索引顺序），用于查看构建的词汇表内容。
inverse_transform(X)：将词频矩阵转换回文本形式（仅保留出现的词）。
get_params(deep=True)：获取当前CountVectorizer的所有参数配置。
set_params(**params)：修改CountVectorizer的参数配置（如动态调整max_features）。

3. 注意事项

中文处理：CountVectorizer默认按空格分词，中文需先使用jieba等工具分词，再用空格连接（如"我喜欢机器学习"），并设置tokenizer=lambda x: x.split()。
内存问题：文本量大时，词频矩阵可能非常稀疏，建议保留稀疏矩阵格式（避免用toarray()转换为稠密矩阵）。
词汇表规模：通过max_df、min_df、max_features控制词汇表大小，避免维度灾难。

2. 实战案例：好差评判断

案例背景需求和数据集:读者可以通过代码反推一下,如果可以找博主要一下源数据集,或者自己利用爬虫知识自己去苏宁易购的官网合法爬取也是可以的欧.

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
苏宁易购商品评价情感分析系统
功能：使用朴素贝叶斯分类器对商品评价进行好评/差评分类
"""# ==================== 第一部分：数据准备与预处理 ====================# (1) 导入必要的库
import pandas as pd  # 数据处理库
import jieba  # 中文分词库
from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer  # 文本向量化
from sklearn.naive_bayes import MultinomialNB  # 朴素贝叶斯分类器
from sklearn.model_selection import train_test_split  # 数据集划分
from sklearn import metrics  # 模型评估指标
from sklearn.metrics import accuracy_score  # 准确率计算# (2) 读取原始数据文件
# 注意：文件编码为GBK，需与文件实际编码一致
cp = pd.read_table("差评.txt", encoding='gbk')  # 读取差评数据
yzpj = pd.read_table("优质评价.txt", encoding='gbk')  # 读取好评数据# (3) 中文分词处理
# 对差评数据进行分词
cp_segments = []
contents = cp.content.values.tolist()  # 将评价内容转为列表
for content in contents:results = jieba.lcut(content)  # 使用jieba进行中文分词if len(results) > 1:  # 过滤掉空内容和单字内容cp_segments.append(results)
# 将分词结果保存为DataFrame并导出Excel
cp_fc_results = pd.DataFrame({'content': cp_segments})
cp_fc_results.to_excel('cp_fc_results.xlsx', index=False)# 对好评数据进行同样的分词处理
yzpj_segments = []
contents = yzpj.content.values.tolist()
for content in contents:results = jieba.lcut(content)if len(results) > 1:yzpj_segments.append(results)
yzpj_fc_results = pd.DataFrame({'content': yzpj_segments})
yzpj_fc_results.to_excel('yzpj_fc_results.xlsx', index=False)# (4) 去除停用词
# 加载中文停用词表（注意文件编码为UTF-8）
stopwords = pd.read_csv('StopwordsCN.txt', encoding='utf-8', engine='python', sep='\t')def drop_stopwords(contents, stopwords):"""去除分词结果中的停用词参数：contents: 分词后的内容列表stopwords: 停用词列表返回：去除停用词后的内容列表"""segments_clean = []for content in contents:line_clean = []for word in content:if word in stopwords.values:  # 如果是停用词则跳过continueline_clean.append(word)segments_clean.append(line_clean)return segments_clean# 处理差评数据
contents = cp_fc_results.content.values.tolist()
stopwords_list = stopwords.stopword.values.tolist()
cp_fc_content_clean_s = drop_stopwords(contents, stopwords_list)# 处理好评数据
contents = yzpj_fc_results.content.values.tolist()
yzpj_fc_content_clean_s = drop_stopwords(contents, stopwords_list)# ==================== 第二部分：模型训练与评估 ====================# (5) 构建训练数据集
# 给差评数据打标签1，好评数据打标签0
cp_train = pd.DataFrame({'segments_clean': cp_fc_content_clean_s, 'label': 1})
yzpj_train = pd.DataFrame({'segments_clean': yzpj_fc_content_clean_s, 'label': 0})
# 合并差评和好评数据
pj_train = pd.concat([cp_train, yzpj_train])
pj_train.to_excel('pj_train.xlsx', index=False)  # 保存训练数据# (6) 划分训练集和测试集
# 使用75%的数据训练，25%的数据测试，random_state固定随机种子保证可复现性
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(pj_train['segments_clean'].values, pj_train['label'].values, random_state=0
)# (7) 文本向量化
# 将分词列表转换为空格连接的字符串
words = []
for line_index in range(len(x_train)):words.append(' '.join(x_train[line_index]))# 初始化CountVectorizer
# max_features=10000: 只保留最常见的10000个词
# lowercase=False: 不转换为小写（中文不需要）
# ngram_range=(1,3): 考虑1-3个词的组合
vec = CountVectorizer(max_features=10000, lowercase=False, ngram_range=(1, 3))
vec.fit(words)  # 拟合向量化器
x_train_vec = vec.transform(words)  # 转换训练数据# (8) 训练朴素贝叶斯分类器
# alpha=0.1: 平滑参数，防止零概率问题
classifier = MultinomialNB(alpha=0.1)
classifier.fit(x_train_vec, y_train)  # 训练模型# 在训练集上预测（用于检查过拟合）
train_pr = classifier.predict(x_train_vec)# (9) 测试集评估
# 准备测试数据
test_words = []
for line_index in range(len(x_test)):test_words.append(' '.join(x_test[line_index]))
x_test_vec = vec.transform(test_words)  # 向量化测试数据# 预测并评估
test_pr = classifier.predict(x_test_vec)
print("测试集准确率:", accuracy_score(y_test, test_pr))  # 打印准确率
test_predicted = classifier.predict(x_test_vec)
print("测试集分类报告：")
print(metrics.classification_report(y_test, test_predicted, digits=4))  # 打印详细分类报告# ==================== 第三部分：交互式预测 ====================# (10) 交互式情感分析
print("\n===== 交互式评价分类 =====")
print("输入'exit'退出程序")
while True:text_something = input('请输入一段评价（输入exit退出）：')if text_something == 'exit':break# 对新输入进行同样的预处理seg_list = jieba.lcut(text_something)  # 分词seg_clean = [word for word in seg_list if word not in stopwords_list]  # 去停用词text_processed = [' '.join(seg_clean)]  # 组合为字符串# 向量化text_vec = vec.transform(text_processed)# 预测并输出结果predict = classifier.predict(text_vec)if predict[0] == 1:print("预测结果：差评")else:print("预测结果：优质评价")

我们分段解析一下该案例代码流程:

(1) 导入库

import pandas as pd  # 数据处理库
import jieba  # 中文分词库
from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer  # 文本向量化
from sklearn.naive_bayes import MultinomialNB  # 朴素贝叶斯分类器
from sklearn.model_selection import train_test_split  # 数据集划分
from sklearn import metrics  # 模型评估指标
from sklearn.metrics import accuracy_score  # 准确率计算

这行代码导入了pandas库，并将其别名为pd。pandas是一个用于数据处理和分析的强大库，在后续代码中用于读取文件、数据处理和构建数据框等操作。其他库在下文中对应使用模块也有详细介绍,可以暂时跳过下面这几段解释到下一段代码.

这行代码导入了jieba库，并将其别名为jieba。jieba是一个优秀的中文分词库，在后续代码中用于将中文文本切分成词语序列，是中文自然语言处理的基础工具。

这行代码导入了CountVectorizer类，来自sklearn.feature_extraction.text模块。CountVectorizer是scikit-learn提供的文本特征提取工具，在后续代码中用于将分词后的文本转换为词频矩阵（词向量），是文本分类任务中的关键预处理步骤。

这行代码导入了MultinomialNB类，来自sklearn.naive_bayes模块。MultinomialNB是多项式朴素贝叶斯分类器实现，在后续代码中用于构建文本分类模型，特别适合处理离散特征（如词频）的分类任务。

这行代码导入了train_test_split函数，来自sklearn.model_selection模块。train_test_split是机器学习中常用的数据集划分工具，在后续代码中用于将数据集随机分割为训练集和测试集，便于模型训练和评估。

这行代码导入了metrics模块，来自sklearn包。metrics包含了各种机器学习评估指标，在后续代码中主要用于生成分类报告（如精确率、召回率、F1值等），全面评估模型性能。

这行代码导入了accuracy_score函数，来自sklearn.metrics模块。accuracy_score是分类任务中最常用的评估指标，在后续代码中用于计算模型在测试集上的分类准确率，直观反映模型整体预测正确率。