自然语言处理之分词技术

        分词作为自然语言处理中的一项基本内容，是很多任务的基础，任何一门自然语言，分词难度参差不齐。比如中文分词与英文分词就存在很大的差别。在英文中，使用空格来进行分词，可以完成大部分的英文文本的分词任务；然而，对于中文而言，分词是一项极具挑战性的任务，没有特定的符号来标识某个词的开始或者结尾，而分词结果的好坏，对于语义理解的正确性有重要影响，比如下面这句话的分词结果：

南京市长江大桥==>南京市/长江大桥，或者==>南京市长/江大桥。不同的分词结果，语义天壤地别。那么如何能够合理的把词从句子中正确的切分出来呢？目前方法非常多，对于中文分词任务而言，可以粗分为基于规则的方法，这类方法通常需要编写词典；经典的浅层机器学习的方法；基于深度学习的分词技术。

        首先，来看看对于词典在分词中的使用。对于词典，最简单也最常用的方法，就是构造一个常用词的候选集合，比如，词”我“、”爱“、”学习“这些词构成的集合，对于句子”我爱学习“，如果要进行句子分词，只需要从头到尾遍历这个句子，如果词在候选词集中出现过，则切分该词，这样很容易对原句进行切分，这样的方法逻辑简单，实现容易。所以在工程中，常采用list这种数据结构来进行候选词的存储。但是，如果对于大量的词来进行词典的建设，效率就非常低了，不仅涉及到词的存储，还要进行查找操作，无论是时间复杂度还是空间复杂度，都是线性的。如何更加高效的存储和查找呢？成为了提升算法性能的关键因素。从数据结构和算法的角度来分析，树型结构具有相比线性结构更加明显的优势，因此出现了Trie树这种方法，Trie树也成为了自然语言处理词库建设中常用的方法。

        在计算机科学中，Trie树又称前缀树或字典树，是一种有序树，用于保存关联数组，其中的键通常是字符串类型。Trie树也经常被搜索引擎系统用于文本词频统计。与二叉查找树不同，键不是直接保存在节点中，而是由节点在树中的位置决定。一个节点的所有子孙都有相同的前缀，也就是这个节点对应的字符串，而根节点对应空字符串。一般情况下，不是所有的节点都有对应的值，只有叶子节点和部分内部节点所对应的键才有相关的值。

上图中包含三类节点：根节点、内部节点、叶子节点，利用Trie树存储后，根据一条路径，来存储一个词典中的词比如”上海大学“，当然中间节点也可以作为一个词的结尾来进行保存，比如”上海“，常用的中文汉字不到5000，大概只需要一个一层分支为2**12的Trie树来保存所有的中文词库信息。对于树形结构，保证了高效的存储和查找方法，遍历一个句子时，只需要依次向树下一层访问，如果无法访问到下一节点，则进行切分，如到叶子节点，也进行切分即可，这就是基于Trie树的最长匹配法，分词性能的好坏完全依赖于词库。目前的jieba分词软件就是基于这种思想来完成的。

        虽然基于Trie树的分词方法能够满足大部分应用场景，但是该方法严重依赖于词典，而且有时效果也非常一般，对于大规模的语料库而言，词库建设的工作量又非常大。面对这种情况，采用机器学习的方法可以使得分词效果得到改善，比如基于隐马尔科夫模型的分词方法、基于条件随机场的分词方法等浅层机器学习方法来完成分词任务。

        隐马尔科夫模型包括隐状态序列、观察值序列、状态转移矩阵、条件概率矩阵、初始化概率。给定一个分词任务：

隐状态序列：指的是句中词的几种状态，比如常见的方法，会将句中的词分为四种状态：词的开始位置标记状态，记为“S”(Start的简写）；词的中间位置标记状态，记为“M”（Middle的简写)；词的末尾标记状态，记为“E”（End的简写）；单独成词的标记，简写为“W”(Whole的简写)。比如词“太极拳“，被标记为“SME”，”爱“被标记为”W“，”喜欢“被标记为”SE“。比如句子”我爱打太极拳“，相应的观察标记为”我/爱/打 /太极拳“，其隐状态序列被标记为”W/W/W/SME“。

观察值序列：指的是带切分的词，如：我爱打太极拳。

状态转移矩阵：是隐马尔可夫模型中非常重要的一个概念。隐马尔可夫模型一个很重要的假设，称为马尔可夫假设，当前时刻的状态只与前一个时刻的状态有关，这个关系可以使用状态转移矩阵来进行数学上的刻画，对于”我/爱/打/太极拳“这句话来说，需要用到4阶方阵。

条件概率矩阵：在HMM中，观察值只取决于当前状态值（假设条件），条件概率矩阵主要建模在SMEW下各个词的不同概率，和初始化概率、状态转移矩阵一样，我们需要在语料中计算得到对应的数据。

初始化概率：指的是S、M、E、W这四种状态在第一个字或者词的概率分布情况。

        为了方便理解，举个例子，比如”我爱打太极拳“，我们初始化一个矩阵，大小为W[4][6]，则矩阵的第一列值为初始化条件概率分布，依次为：P(S)P(我|S)，P(M)P(我|M)，P(E)P(我|E)，P(W)P(我|W)。然后根据转移概率计算下一个字的状态概率分布，依次到最后即可，即可计算句子中所有词的状态分布，然后确定好边界对比条件，即可计算出对应的状态序列。HMM是中文分词中一种很常见的分词方法，根据上述的描述和解释，我们知道，其分词状态主要依赖于语料的标注，通过语料初始化概率、状态转移矩阵、条件概率矩阵的计算，对需要分词的句子进行计算，简单来说，是通过模型学习到对应词的历史状态经验，然后在新的矩阵中使用。HMM的优势在于，模型计算简单，且通常非常有效，对于词典中未出现的词有比较好的效果。而另外一种机器学习模型——CRF，即条件随机场，也是一种高效的分词模型，与HMM类似，将分词任务作为一项序列标注任务，将上面提到的四种状态(SMEW)标注到句子中的不同词上，相对于HMM，CRF能够利用更多的特征，而且，从本质上来讲，HMM属于生成模型，描述的是已知量和未知量的联合概率分布，而CRF则是直接进行条件概率建模。而且CRF特征更加丰富，可通过自定义特征函数来增加特征信息，通常CRF能建模的信息应该包括HMM的状态转移、数据初始化的特征。CRF在理论和实践上通常都优于HMM，CRF主要包括两部分特征：1、简单特征，只涉及当前状态的特征；2、转移特征，涉及到两种状态之间的特征。特征模板在工程实践中是经常使用的一项技术。

        除了浅层机器学习方法之外，火热的深度学习方法也经常用于传统的这些标注任务，比如用于自然语言处理的深度学习模型LSTM和传统机器学习方法CRF的结合，让模型标注的结果取得了质的飞跃，其基本结构如下图所示：

其基本做法是：首先，训练词向量，使用word2vec技术对语料库中的字词训练固定维度的词向量，然后引入一个双向LSTM(Bi-LSTM)，用来建模句子本身的语义信息，最后引入一个CRF完成序列标注工作。这种考虑了上下文的方法是优于传统方法的一个重要原因。

       近年来，深度学习方法，已经成为了自然语言处理任务的首选方法，并且大多数情况，效果都会比浅层机器学习方法要好，特别是最近预训练模型的涌现，推动了自然语言处理领域的快速发展，很多模型都被新模型所取代，但是，传统方法仍然是非常重要的，是很多模型的基础，正如”没有免费的午餐“定理所说，脱离具体问题，空泛地谈论“什么学习算法更好”毫无意义，因为若考虑所有潜在的问题，则所有学习算法都一样好。