Nlp on Xiangtao's log

Gensim训练词向量与Embedding相关知识

15989119660@163.com (Xiangtao XIAO) — Fri, 22 May 2020 00:00:00 +0000

在进行文本分类的时候，预处理我们可以自己做一个词向量模型，也可以采用预训练的模型。采用预训练的模型比如谷歌基于goole news训练的Word2vec模型，由于在大量文本数据中训练过，所以词的概率分布会比较准确，当自己的数据集比较小的时候，用预训练数据有利于提升模型的准确度。

以下内容使用了tensorflow。

训练文本生成word2vec模型

自己训练模型一般有以下几步：

处理数据集，首先gensim的Word2Vec()方法需要的输入是句子顺序的单词，比如我爱你而不是我爱你，所以要将文本数据分词处理，在这个过程中，我们可以去除停用词，英文全部小写，语法统一等处理，可能对词向量的训练比较有帮助。
完成文本的处理以后，我们得到一个分词后的文本数据集，比如一个列表[‘she’, ‘is’, ‘beautiful’]，在gensim模块中可以简单的使用model=gensim.models.word2vec.Word2Vec()得到训练的模型。
该方法有一些参数：
sentences-即数据集；sg-设置训练算法，0代表CBOW，1代表skip-gram算法；
size-指特征向量的维度，默认为100，大的size需要更多数据，效果更好，但是过大则浪费资源，效果提升不明显；
window-当前词与预测词在一个句子中的最大距离，默认是5，比如我今天成功完成工作，对于成功，如果设置窗口为2，可能去预测的词就是我今天完成和工作，注意是最大值而不是一定选取四个词。最后模型输出的是一个概率分布，即一个词出现在其他词边的概率是多少，我们也就可以据此去发现相似的词。
min_count-去除词频小于min_count的词；
hs-1采用hierarchy softmax，0采用negative sample；
iter-迭代次数
workers-参数控制训练的并行数¨C9C 更多参考： //www.cnblogs.com/kjkj/p/9825418.html

其他训练词向量有相似的方法和思路，网上有很多资料。

使用预训练词向量

首先加载获取到准备好的模型，然后我们的目标是得到一个embedding_metrics即词向量矩阵，词向量矩阵的shape为（vocab_size, embedding_dim），它是我们要用于训练的数据的每个词（更具体的说是词表中的词）在训练好的模型中的词向量组成的矩阵。

接下来处理训练数据，即用tokenizer处理训练后的数据得到词表，然后将每条文本数据转变为用词表索引数字代替各单词表示的列表，这里给词编码的顺序是词频由高到低，再进行padding使句子输入变为定长，最后我们利用word_index和模型生成embedding_metrics，数据的准备就基本完成了。这些步骤使用tensorflow提供的api可以很简单的实现。

生成代码及相关解释如下：

embedding_matrix = np.zeros((len(word_index) + 1, word2vec.vector_size))

#  len(word_index) + 1，加1是因为word_index的标记是从1开始而非0，这样词索引与词向量刚好对应，并且对于padding后为
#  0的填充位置可以有对应的映射。

for word, index in word_index.items():
    try:
        embedding_vector = word2vec.wv.getitem(str(word))
        embedding_matrix[int(index)] = embedding_vector
    except KeyError:
        print("vector not found for word - %s" % word)

Embedding层做了什么？

Embedding层就是以one hot为输入、中间层节点为词向量维数的全连接层！而这个全连接层的参数，就是一个“词向量表”即我们的embedding_metrics，也就是说，其实onehot的作用就是查表，选择onehot表示的词对应的词向量，然后输出到下一层去。如果我们不用预处理的词向量，就是放一个空矩阵在embedding层（或者说是随机初始化参数），然后在训练网络过程中更新参数。

Embedding(len(vocab) + 1, embedding_dim, input_length=50, weights=[embedding_matrix], trainable=False)
# (len(vocab) + 1, embedding_dim)与embedding_matrix的shape是一致的。

参考：

NLP分类效果衡量指标(F1/p/r)

15989119660@163.com (Xiangtao XIAO) — Fri, 22 May 2020 00:00:00 +0000

概念

为什么要计算F1：避免样本分布带来的偏差，综合考量分类效果，假如有100个样本，其中1个正样本，99个负样本，如果模型的预测只输出0，那么正确率是99%，这时候用正确率来衡量模型的好坏显然是不对的。

真实 1真实 0预测 1True Positive(TP)False Positive(FP)预测 0False Negative(FN)True Negative(TN)

查准率(precision)，预测正确的样本在所有预测为1的样本中的比例，该值反映有多少其他类被错误的归为该类。
召回率(recall)，预测正确的样本在所有真实为1的样本中的比例，该值反映有多少该类被预测为其他类了。
F1(F1-Score)，精准率和召回率的调和平均数。

Micro-F1与Macro-F1

针对多标签分类而言衡量分类效果

Micro-F1：直接计算所有类别的Precision和Recall，然后计算F1。（类别有权重，分到样本数多的类别有更大的影响力）
Macro-F1：计算出每一个类的Precision和Recall并分别计算F1，最后将F1平均。（各类别的F1权重相同）

代码实现

二分类

def f1(y_hat, y_true):
    '''
    输入张量y_hat是输出层经过sigmoid激活的张量
    y_true是label{0,1}的集和
    model指的是如果是多任务分类，single会返回每个分类的f1分数，multi会返回所有类的平均f1分数（Marco-F1）
    如果只是单个二分类任务，则可以忽略model
    '''
    epsilon = 1e-7
    y_hat = tf.round(y_hat)#将经过sigmoid激活的张量四舍五入变为0，1输出

    #  输入的数据是矩阵，标签为单行矩阵，预测值为单列矩阵，如果不是需要转换

    tp = tf.cast(tf.matmul(y_true,y_hat), 'float')
    #tn = tf.sum(tf.cast((1-y_hat)<em>(1-y_true), 'float'), axis=0)
    fp = tf.cast(tf.matmul(1-y_true,y_hat), 'float')
    fn = tf.cast(tf.matmul(y_true,1-y_hat), 'float')
    print('tp: ', tp[0][0].numpy(),'fp: ',  fp[0][0].numpy(),'fn: ',  fn[0][0].numpy())
    p = tp/(tp+fp+epsilon)#epsilon的意义在于防止分母为0，否则当分母为0时python会报错
    r = tp/(tp+fn+epsilon)

    f1 = 2</em>p<em>r/(p+r+epsilon)

    result = [f1[0][0].numpy(), p[0][0].numpy(), r[0][0].numpy()]
    return result

多标签

import tensorflow as tf
def f1(y_hat, y_true, model='multi'):
    '''
    输入张量y_hat是输出层经过sigmoid激活的张量
    y_true是label{0,1}的集和
    model指的是如果是多任务分类，single会返回每个分类的f1分数，multi会返回所有类的平均f1分数（Marco-F1）
    如果只是单个二分类任务，则可以忽略model
    '''
    epsilon = 1e-7
    y_hat = tf.round(y_hat)#将经过sigmoid激活的张量四舍五入变为0，1输出

    #tf.cast()转换张量数据类型
    tp = tf.reduce_sum(tf.cast(y_hat</em>y_true, 'float'), axis=0) #取axis维数据求和
    #tn = tf.sum(tf.cast((1-y_hat)<em>(1-y_true), 'float'), axis=0)
    fp = tf.reduce_sum(tf.cast((1-y_hat)</em>y_true, 'float'), axis=0)
    fn = tf.reduce_sum(tf.cast(y_hat<em>(1-y_true), 'float'), axis=0)

    p = tp/(tp+fp+epsilon)#epsilon的意义在于防止分母为0，否则当分母为0时python会报错
    r = tp/(tp+fn+epsilon)

    f1 = 2</em>p*r/(p+r+epsilon)
    f1 = tf.where(tf.is_nan(f1), tf.zeros_like(f1), f1)
    if model == 'single':
        return f1
    if model == 'multi':
        return tf.reduce_mean(f1)

参考

//blog.csdn.net/zjn295771349/article/details/84961596

Natural Language Processing相关概念理解

15989119660@163.com (Xiangtao XIAO) — Thu, 21 May 2020 00:00:00 +0000

NLP一般流程

文本预处理->词向量与文本表示->特征选择与特征抽取->分类算法

词向量与文本表示

词袋模型（BOW）

将所有词汇放进一个袋子里，假设有n个词，则每个句子表示为一个长度为n的词频向量，词频即对应词在句子里出现的次数，如果没有出现就是0。这种方法句子里的语义信息被完全遗失了。

word based encodings

另一种思路是表示句子，这样就可以把词在句子中的位置关系考虑进去，例如 “我喜欢猫”和 “我喜欢狗”分别表示为（0 1 2）和（0 1 3），这里的数字不再是词频，而是对应单词被分配的编码，如果词重复了，显然在数组中对应的数字也会重复。

padding

句子长度不同时，需要将他们转化为统一长度的向量输入到神经网络中训练，这时就要padding，设置一个长度n，如果句子长度小于n，就在数组左侧或右侧填充0，如果句子长了，就把左侧或右侧多余的部分忽略，具体方位由自己选择。

词向量模型（word embedding）

考虑词与词之间的位置关系。原本用随机分配的数字代表每一个词，词与词之间是完全独立的，而embedding使得每一个词成为了一个n维空间中的向量，如果两个词的含义相近，那么相应的向量距离也就进，这样就考虑到了词的含义。

word2Vec ： 底层采用基于CBOW和Skip-Gram算法的神经网络模型。

CBOW模型：

CBOW模型的训练输入是某一个特征词的上下文相关的词对应的词向量，而输出就是这特定的一个词的词向量。由于CBOW使用的是词袋模型，因此上下文的几个词都是平等的，也就是不考虑他们和我们关注的词之间的距离大小，只要在我们上下文之内即可。

这样我们这个CBOW的例子里，我们的输入是上下文选定的词向量，输出是所有词的softmax概率（训练的目标是期望训练样本特定词对应的softmax概率最大），对应的CBOW神经网络模型输入层有4个神经元，输出层有词汇表大小个神经元。隐藏层的神经元个数我们可以自己指定。通过DNN的反向传播算法，我们可以求出DNN模型的参数，同时得到所有的词对应的词向量。这样当我们有新的需求，要求出某4个词对应的最可能的输出中心词时，我们可以通过一次DNN前向传播算法并通过softmax激活函数找到概率最大的词对应的神经元即可。

Skip-Gram模型：

Skip-Gram模型和CBOW的思路是反着来的，即输入是特定的一个词的词向量，而输出是特定词对应的上下文词向量。

这样我们这个Skip-Gram的例子里，我们的输入是特定词，输出是softmax概率排前几的词，对应的Skip-Gram神经网络模型输入层有1个神经元，输出层有词汇表大小个神经元。隐藏层的神经元个数我们可以自己指定。通过DNN的反向传播算法，我们可以求出DNN模型的参数，同时得到所有的词对应的词向量。这样当我们有新的需求，要求出某1个词对应的最可能的4个上下文词时，我们可以通过一次DNN前向传播算法得到概率大小排前4的softmax概率对应的神经元所对应的词即可。

词向量模型突出特点：

在词向量模型中，词向量与词向量之间有这非常特殊的特性。例如现在存在国王、男生、女人、皇后四个词向量，那么一个完善的词向量模型，就存在“国王-男人+女人=皇后”这样的关系。

参考：词袋模型（BOW，bag of words）和词向量模型（Word Embedding）概念介绍

NLP数据准备相关代码记录

15989119660@163.com (Xiangtao XIAO) — Thu, 21 May 2020 00:00:00 +0000

csv文件

什么是csv文件

csv既逗号分隔符文件，行数据用’,‘分隔，列数据用换行符’\n’分隔

读取与写入csv文件

with open(filename, 'r', encoding='gbk') as rf:
    reader = csv.reader(rf, dialect=csv.excel)
#  按行读取，读取的是存储为excel可读格式的csv文件，这个文件可以用excel打开查看

with open(r'clean_data\clean_data_0.5_no_repeat.csv', 'w', encoding='gbk', newline='') as f:
    writer = csv.writer(f, dialect=csv.excel, delimiter=',')
    for data in final_dataset:
        writer.writerow(data)
#    按行写入，写入格式也是csv.excel，会把一个二维列表自动存储为表格，行列对应，存储的内容是原封不动的

csv文件存储格式与换行问题

用以上方法读取的csv文件每一行每一列取出的都是字符串’str’格式，对于字典要用eval()函数自动转回原本对应的格式，而int等也要用对应函数转换

newline=’’“设置存储的行与行之间没有空行，否则会隔行存储。

json格式

json格式文件特点

json格式文本对{对象:值}，例如： {“name”: “John Doe”, “age”: 18, “address”: {“country” : “china”, “zip-code”: “10000”}}，和字典有些相似，存储的值可以是字符串，数组，字典等，这个格式好处在于可以存储结构相对复杂的数据并且易于存取。

json与str，json的读取

在实际操作中似乎直接把json放在列表里就可以和其他数据一样存储到csv文件中，在使用csv.writer方法时，双引号的问题被自动解决了，取出以后和其他数据一样都是str，使用json.loads()方法即可转换为json格式数据，写入的时候可以用同样的方法转换。

转换后的json格式数据按对象取值的方法与字典相似，即data[‘对象名’]->值

python集合、列表、字典

在处理重复数据时（这里指字符串或数值的数据），可以采用集合进行存储，因为集合中元素不能重复，可以很简单的使用set()或list()方法将集合和列表相互转换，因此可以利用集合去重后在转换为list存储。

要注意的是，创建空的集合要使用a = set()方法，如果是a={}则是一个空的字典。

当存储集合时如果集合为空会存储一个空集，内容为set()。

集合增加元素要用add()方法，集合没有列表的append()方法。

在处理数据时，字典一个很大的用处在于给出的key是有语义的，这提高了代码的可读性，list[1]中的数据是什么我们是不知道的，而dict[‘key’]则很好懂。

tensorflow输入数据格式转化

constant方法生成张量，tensorflow搭建的算法输入数据都是相应格式的张量，而不是列表，因此如果采用csv.reader读取csv文件而不是tensorflow自带的方法读取csv文件的话，要用对应的tensorflow或者numpy方法将数据转化为张量，通常为[None,*]None为数据量比如有2000条训练文本，None就是2000，后面的就是处理后的数据格式，比如设置的padding，maxlen=500的embedding size=12后的文本数据，格式就是[None,500,12]，label数据格式也要与之相对应。

tensorflow自带的读取csv文件的方法可以直接得到tensor格式的数据，但是由于我要处理的csv文件是文本文件并且包含json，这个时候还是先用csv的方法处理完比较好。

卷积神经网络(CNN)理论与实现

15989119660@163.com (Xiangtao XIAO) — Thu, 21 May 2020 00:00:00 +0000

一、理论

卷积神经网络结构：（卷积层+（可选）池化层）*N+全连接层*M（M>=0），卷积层的输入输出是矩阵，全连接层输入输出是向量，在卷积层的最后一层做一个展平。

主要用于分类任务

全卷积神经网络：（卷积层+（可选）池化层）*N+反卷积层*K，可以做物体分割类任务

卷积操作

解决参数过多导致的计算资源不足，容易过拟合的问题。解决方法：局部连接（基于图像的区域性）、参数共享（基于图像特征与位置无关）

卷积核是反向传播计算出的参数，卷积：卷积核与输入做点积乘法。步长：卷积核每次在输入上滑动的距离。padding：使输出size不变。

池化操作

类似卷积，计算方式不同，最大值池化：池化核滑动覆盖区域的最大值作为结果输出。

特点：常使用不重叠（kernal-size=步长）、不补零的操作。参数即为步长和池化核大小。用于减少图像尺寸，从而减少计算量。一定程度平移鲁棒。损失了空间精度。

二、实现

embedding_dim = 16
batch_size = 128
cnn_model = keras.models.Sequential([
    keras.layers.Embedding(vocab_size,
 embedding_dim,
                input_length=max_length),
    keras.layers.Conv1D(filters=256,kernel_size=2,kernel_initializer='he_normal',
              strides=1,padding='SAME',activation='relu'),
    keras.layers.GlobalMaxPooling1D(),
    keras.layers.Dropout(rate=0.5),
    keras.layers.Dense(12, activation='sigmoid')
])
cnn_model.summary()
cnn_model.compile(optimizer='adam', loss='binary_crossentropy', metrics=['accuracy'])

Conv1D

在文本中，卷积的某一维大小往往为embedding长度，即在宽度上不需要窗口移动，宽度就是整个窗口，所以conv1d默认卷积的宽度就为embedding维度，长度通过kernel_size来指定的，此处为2，即卷积核的大小为2*embedding_size。strides为步长，此处为1，即卷积核每隔一个单词移动一次。filters是卷积核的个数，即输出的维度。padding有valid和same两种选择，valid在长度方向（宽度方向不padding）不进行padding，而same则在长度方向进行padding，保证输入句子长度和卷积后输出的句子长度一致。

//blog.csdn.net/bobobe/article/details/87923618

tensorflow fit()方法：参考

//blog.csdn.net/crazyman2010/article/details/103705318

TextCNN

//blog.csdn.net/u014732537/article/details/79573174