机器学习通俗易懂系列之Word2vec

1.写在前面

本来工作后比较懒，很久不写博客了，因为实习小同学时不时问到一些问题，网上的资料比较分散、不够通俗透彻，决定重新开启这个系列，本周更新下word2vec和bert，为了通俗可能不严谨，但是大面上应该没啥问题，注意目的是为了意会，细节的去看论文和github，依然是抛砖引玉。
对于新的机器学习模型，大家可以按照这个思路去快速熟悉：
1.这模型干啥用的，最终产出个啥；
2. input是怎么处理为模型输入需要的，比如切词or 构建token，token级别embedding，position的embedding等；
3. 已经处理好的输入数据在模型中的flow，最后output是啥，中间维度是怎么变化的；
4. Loss Function是怎么构建的；
5. 训练的复杂度大概是什么级别，串行还是并行（LSTM、CNN），作者做了哪些改进
6. 作者的一些trick和想法

2.word2vec得到了啥

word2vec训练后得到一个词表，有词汇的分布式向量表示。

词汇可以是一个英文单词、一个汉字或者一个词语、一个token等，这取决于你的训练集制作，得到的向量是一个稠密向量。
与之相对的是稀疏的one-hot表示，我在这个博客文本分类+机器学习浅谈？里举过例子。

• 这种稠密向量表达有什么好处
  答：信息量更大，假设20w大小的词典one-hot表示"梨子"为[0,0,1,0,0,…0]，表示"苹果"为[0,0,0,0,1,0,…,0]，你能得到的信息只是"梨子"在词典中是第3个词汇，"苹果"这个词是第5个，仅此而已，所以你用这两个向量计算余弦相似度会发现为0，计算欧式距离也毫无意义（词典的位置变化，距离也会变化）。而word2vec得到稠密向量后，"梨子"和"苹果"的vector就会表现出相似度高，而"梨子"和"汽车"就会表现出相似度低，符合我们的认知。
  也就是说，这种稠密向量带来了先验知识，"梨子"的vector可能包含水果、很甜、可以吃、手掌大小等信息。

• 向量里包含的先验知识哪里来的？
  答：word2vec训练时学习到的，你给模型吃了这么多语料，就跟小时候你语文老师天天给你看书一样，总能学点东西进去吧。

3.word2vec咋训练

“无监督语料，有监督训练”

无监督语料：比如使用人民日报、中小学课文、百度百科、维基百科的文本。

有监督训练：制作训练集，比如输入为某个词上下文的词汇，label为该词，举个例子，拿朱自清的《背影》作为语料制作训练集，“我与父亲不相见已二年余了，我最不能忘记的是他的背影 …”，data1：（“我”，“父亲”）->“与”；data2（“与”，“不”） ->“父亲”…

(这里切词、做词表什么的就太基础不说了哈。)

有两种制作训练集的思路，一种是上下文预测中间词，一种是中间词预测上下文，分别叫cbow和skip-gram。

下面以skip-gram为例说说这两个思路模型是如何前向传播和反向计算的。

skip-gram

按上图的样子结合朱自清语料，某条data应该张这样：input：“父亲”，右边的label为：“我”,“与”,“不”,"相见"4个词

当然你也可以将上述data拆开为4条data去训练：input：“父亲”，label：“我”；input：“父亲”，label：“与”，…类似下图，原理上区别不大。

在构造词表的时候假设有2w个词，每个词的向量维度为128维度，随机初始化，通过上述训练集来优化这2w个向量，即word2vec。

怎么优化的：

上图中input->projection，取那个词表里取出对应词"父亲"的128维向量，projection->output层，就是一个128 * 20000全连接层，经过全连接层+softmax后得到一个1 * 20000维度的向量，与此同时，“我”,“与”,“不”,"相见"4个词同样可以按照词表表示为一个1 * 20000维度向量，比如[0,0,1,0,1,0,1,0,0,…,0,1,0]，即这4个词在词表的one-hot表示。

对两个1 x 20000的向量做交叉熵loss

最小化loss，反向传播，优化词"父亲"的128维向量

恩，cbow同理

4.word2vec训练复杂度

接着看上文，以skip-gram为例，主要计算量在那个全连接层，计算量为20000 * 128，也就是词表大小N * 向量维度H，反向传播再来一遍；假如训练集制作了M条data，迭代K次，粗鲁的一算，训练计算量就是2 * N * H * M * K

如何减少训练时的计算量呢，从后面的全连接入手

• NEGATIVE SAMPLING，每次使用和更新全连接参数的一部分
  1）以skip-gram为例，上述前向传播时经过全连接层最终生成了一个1 * 20000维度的向量，对应其中4个正样本，19996个负样本，那么如果负样本不用全体的，而是随机抽样S个比如20个，那么那个全连接层就会变为128*(20+4)。或者理解为对于那个全连接层的权重，每次只更新 负样本数S+正样本数4 列，其他的不参与计算。
  2）有人使用了很多高大上的方法来采样，比如什么gibt采样啊，不能是周围的词啊，等等，最终速度比NEGATIVE SAMPLING慢，效果没有任何区别。
  3）怎么随机选的，论文中有公式。
  4）简单粗暴，效果不错。

• Hierarchical Softmax，不全连接了
  
  1）用上图代替projection->output层的全连接+softmax层，这个树的叶子节点为词表中的词，非叶子节点是一个H维向量，向左的概率为projection的向量与该节点的向量点积+sigmoid。
  2）举个例子，仍然对于上述样本input：“父亲”，label：“我”，假设"我"对应的上图的w2，那么"父亲"这个H维向量先与第一个黑色节点H维向量相乘+sigmoid，得到往左的概率为p1，同样第二个黑色节点往左的概率p2，第三个黑色节点往右的概率1-p3，于是到达w2的概率为p1 * p2 * (1-p3)。
  3）于是loss为log(p1 * p2 * (1-p3))，反向传播更新黑色节点向量以及projection的向量。
  4）这棵树怎么建：随机二叉树或者哈弗曼树？

NEGATIVE SAMPLING这个优化，整体上复杂度降低约为原来的(负样本数S+正样本数)/词表大小N；Hierarchical Softmax这个优化降低为log(2,V)

5.word2vec的其他

• Subsampling frequent words
  Word2Vec中使用一个公式得到保留一个词的概率，概率性删除高频词。
  1）剔除单词来 dilutes (稀疏的意思) 高频单词. subsampling 在创建 windows 之前执行，比如 The dog is chasing a ball, context window size=2时, 在挖掉高频词汇 the, is, a 后, ball 就在 dog 的 context 中了)
  2）不仅仅降低计算需求（弱意义的data少了）,对最后词向量的质量提高也有所帮助（留下的大多是有意义的词）
• Word Pairs and “Phrases”
  字面意思就没错，词组。
  论文作者指出类似”Boston Globe”(一份报纸的名字)的词组和”Boston”,”Globe”两个单独的词含义有很大区别, 所以可以把”Boston Globe”当作一个词处理。
  论文中的”Learning Phrases”节介绍了词组检测。

行了，就先这样，图是之前收藏的博客上摘下来的，有些本来直观的说明自己懒得写的也复制了点，作者有意见找我哈。

参考：
1.https://blog.youkuaiyun.com/z0n1l2/article/details/81035244
2.https://yq.aliyun.com/articles/64423?spm=5176.100239.blogcont64424.13.PKOeiK
3.http://kissg.me/2017/12/25/word_embeddings_0to1/