nlp与知识图谱代码解读_词嵌入

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词嵌入

简单原理

可以使用一些比喻和生活中的例子:


老师: 你们还记得玩乐高积木的时候,每个积木块代表了一个特定的事物或形状吗?现在,想象一下,每个词都像是一个乐高积木。我们要做的是为每个积木找到一个特殊的地方,这样它们就可以和其他积木在某种方式上连接起来。

词嵌入就像是为每个词找一个特定的地方或位置,但这个"地方"不是在房间里,而是在一个叫做"嵌入空间"的地方。

学生A: "嵌入空间"是什么?

老师: 好问题!嵌入空间就像一个大大的游乐场。每个词都有自己的一个小小的位置,这个位置由一些数字决定。比如,"猫"可能在游乐场的旋转木马旁边,而"狗"可能在滑梯旁边。这些位置是用数字来表示的,所以"猫"可能是[0.5, 2.3],而"狗"可能是[0.6, 2.1]。

这些位置不是随机选择的。词之间的关系决定了它们在游乐场中的位置。例如,因为"猫"和"狗"都是宠物,所以它们的位置会很接近。但"猫"和"汽车"可能就相距很远,因为它们是不同类别的事物。

学生B: 那我们是怎么知道每个词的位置的呢?

老师: 很好的问题!我们使用计算机和特殊的算法。我们把很多句子和文本输入到计算机中,计算机会查看哪些词经常一起出现,然后根据这些信息决定它们在游乐场中的位置。

比如,"奶"和"饼干"在很多句子中都一起出现,所以计算机会认为它们应该在游乐场的同一个地方或附近。

学生C: 那为什么我们要做这个呢?

老师: 好问题!当我们给计算机很多文本时,我们希望它能理解这些文本的意思。但计算机不懂"猫"或"狗"的真正意思,它只懂数字。所以,我们把每个词转换成数字,这样计算机就可以理解它们了。通过这种方式,计算机可以帮助我们回答问题、写文章或者做其他有趣的事情!


既然计算机不懂什么是"猫"和"狗",那计算机如何将"猫"和"狗"的数字设置的近一些呢?


很好的问题!确实,计算机本身并不知道"猫"和"狗"的具体含义,但它可以通过分析大量的文本数据来识别这两个词语之间的关联。下面我会用一个简单的例子来解释这个过程。


老师: 让我们想象一个游戏:你在读很多的故事书,但是每次你只看两个连在一起的词。比如:"猫在", "在睡觉", "狗在", "在追"。你可能会注意到,"猫"和"狗"经常都跟"在"这个词后面。

现在,假设我们有一个大篮子,里面放着很多词的卡片。开始时,这些卡片都随机地放在篮子里。每次你读到两个连在一起的词,你就把这两张卡片放得更近一些。

经过很多次这样的操作后,你会发现那些经常在故事里连在一起的词卡片会聚集在一起。所以,"猫"和"狗"可能会因为它们经常与相似的词语连在一起,而被放得很近。

计算机在进行词嵌入的时候,也是做了类似的事情。它看了大量的句子,每次只注意那些靠近的词。然后,它会调整每个词的数字位置,使得经常在一起出现的词更加接近。

通过这种方式,即使计算机不知道"猫"和"狗"的真实含义,它也能知道这两个词在很多情境中是相似或有关的,所以应该放得近一些。


希望这个解释能帮助你理解计算机是如何决定词嵌入中词的位置的!

代码案例+解读

python 复制代码
import numpy as np
from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import Embedding  # 词嵌入

model = Sequential()
model.add(Embedding(input_dim=7, output_dim=3, ))  # 输入、输出
model.compile()  # 全部参数使用默认
x = np.array([[0, 1, 0, 1, 1, 0, 0],
              [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1]])
print('input shape data: \n', x, x.shape)
result = model.predict(x)
print('Embedding:', result, 'shape:', result.shape)

这段代码使用TensorFlow的Keras API来创建一个简单的词嵌入(Embedding)模型。我们来逐行解读代码内容:

  1. import numpy as np

    导入NumPy库,并使用别名np引用它。NumPy是一个常用的Python科学计算库,用于进行数值计算。

  2. from tensorflow.keras.models import Sequential
    from tensorflow.keras.layers import Embedding

    这两行从TensorFlow库中导入必要的模块。Sequential模型是Keras中一个线性堆叠的层次结构,而Embedding是Keras中用于词嵌入的层。

  3. model = Sequential()

    创建一个Sequential模型的实例。

  4. model.add(Embedding(input_dim=7, output_dim=3, ))

    向模型中添加一个Embedding层。其中,input_dim=7表示输入数据的词汇表大小为7,也即我们有7个不同的单词/标记。output_dim=3表示每个单词要被嵌入到3维的向量空间中。

  5. model.compile()

    编译模型。这里没有为compile函数提供任何参数,所以它使用默认设置。由于这只是一个简单的演示,并没有进行真实的训练,所以这一步的设置不是很关键。

  6. x = np.array([[0, 1, 0, 1, 1, 0, 0], [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1]])

    使用NumPy创建一个形状为(2, 7)的数组。可以看作是两个句子,每个句子由7个单词/标记组成。这里的数字代表词汇表中的索引。

  7. print('input shape data: \n', x, x.shape)

    打印输入数据和它的形状。

  8. result = model.predict(x)

    使用Embedding模型对输入数据x进行预测。实际上,这一步将输入数据的每个单词索引转换为对应的嵌入向量。

  9. print('Embedding:', result, 'shape:', result.shape)

    打印嵌入的结果和它的形状。

总结:此代码创建了一个简单的词嵌入模型,然后用这个模型将两个句子中的单词索引转换为对应的嵌入向量。这个模型没有经过训练,所以得到的嵌入向量是随机的。


专业原理介绍

词嵌入简介:

词嵌入(Word Embedding)是NLP和深度学习中的一个关键技术,它的核心思想是将自然语言中的单词或短语转换成固定大小的向量。这些向量可以捕获单词之间的语义关系、相似性和其他多种语言属性。


为什么需要词嵌入?

计算机本身不能理解文本或单词,它只能理解数字。因此,我们需要一种方法将单词转化为数值或向量形式。初学者可能会首先想到"独热编码",但这种方法在大词汇表中是不切实际的,因为它产生的向量非常稀疏,且不能捕获单词间的关系。

词嵌入提供了一种更紧凑、高效的表示方法,其中相似的单词在向量空间中彼此靠近。


如何获得词嵌入?

  1. 预训练模型:例如Word2Vec、GloVe和FastText,这些模型在大量文本数据上训练,可以为每个单词提供预训练的向量。你可以直接使用这些预训练向量或在特定任务上进行进一步的微调。

  2. 自行训练:例如,在一个深度学习模型(如RNN、CNN)中使用嵌入层,这个层在模型训练过程中学习合适的单词向量。


Word2Vec简介:

Word2Vec是最受欢迎的词嵌入方法之一。它的核心思想是"一个单词的含义可以由它周围的单词定义"。Word2Vec有两种主要的训练方法:

  1. CBOW(Continuous Bag of Words):给定上下文,预测当前单词。
  2. Skip-Gram:给定当前单词,预测它的上下文。

词嵌入的优点:

  1. 捕获语义信息:例如,"king" - "man" + "woman" 接近 "queen"。
  2. 降维:将高维的独热向量转化为低维的密集向量。
  3. 可转移:预训练的词向量可以用于多种不同的任务。

总结:

词嵌入为单词提供了一种密集、低维的向量表示形式,这些向量捕获了单词的语义属性和关系。使用词嵌入,我们可以在深度学习模型中更高效地处理文本数据。

场景

当然可以!让我们使用一个简单的例子来进一步理解词嵌入。


场景: 设想你有以下四个句子:

  1. The cat sat on the mat.
  2. The dog sat on the rug.
  3. Cats and dogs are pets.
  4. Pets make great companions.

如果我们从这些句子中提取出所有的唯一单词,我们得到一个词汇表:[The, cat, sat, on, the, mat, dog, rug, cats, dogs, are, pets, make, great, companions]。我们忽略大小写和标点符号。


独热编码:

让我们先看独热编码。对于词汇表中的每一个单词,独热编码将会为其分配一个向量,其中只有一个元素是1,其余都是0。

例如:

  • cat: [0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
  • dog: [0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]

但是这种表示方式有两个问题:向量很大并且稀疏(大部分为0),且这种编码方式无法表示单词间的关系(如"cat"和"dog"都是宠物,有语义上的相似性)。


词嵌入:

相对于独热编码,词嵌入将每个单词表示为一个更小的、密集的向量。例如,我们可以有一个3维的嵌入空间(实际应用中通常更高维)。

在这个简化的例子中,向量可能如下:

  • cat: [0.9, 0.5, 0.3]
  • dog: [0.8, 0.6, 0.4]
  • mat: [0.1, 0.2, 0.3]
  • rug: [0.15, 0.21, 0.31]

在这个嵌入空间中,"cat"和"dog"的向量很接近,这意味着它们在语义上相似。而"mat"和"rug"也很接近,因为它们都是可以坐或躺的物体。

词嵌入的美妙之处在于,当它们被训练在大量的文本数据上时,它们能够捕获更多的复杂语义和语法关系。例如,"king"和"queen"的向量之间的关系可能类似于"man"和"woman"的向量之间的关系。


这个简化的例子展示了词嵌入如何提供一种更紧凑、更有表现力的方式来表示单词,从而能够捕获单词之间的关系和语义含义。

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