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提交 e729d137 编写于 作者: Y Yibing Liu
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04.word2vec/README.cn.md
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# 词向量
本教程源代码目录在[book/word2vec](https://github.com/PaddlePaddle/book/tree/develop/04.word2vec),初次使用请您参考[Book文档使用说明](https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/README.cn.md#运行这本书)。
### 说明
1. 本教程可支持在 CPU/GPU 环境下运行
2. Docker镜像支持的CUDA/cuDNN版本
如果使用了Docker运行Book，请注意：这里所提供的默认镜像的GPU环境为 CUDA 8/cuDNN 5，对于NVIDIA Tesla V100等要求CUDA 9的 GPU，使用该镜像可能会运行失败;
3. 文档和脚本中代码的一致性问题
本教程源代码目录在[book/word2vec](https://github.com/PaddlePaddle/book/tree/develop/04.word2vec),初次使用请您参考[Book文档使用说明](https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/README.cn.md#运行这本书)。
### 说明
1. 本教程可支持在 CPU/GPU 环境下运行
2. Docker镜像支持的CUDA/cuDNN版本
如果使用了Docker运行Book，请注意：这里所提供的默认镜像的GPU环境为 CUDA 8/cuDNN 5，对于NVIDIA Tesla V100等要求CUDA 9的 GPU，使用该镜像可能会运行失败;
3. 文档和脚本中代码的一致性问题
请注意：为使本文更加易读易用，我们拆分、调整了[train.py](https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/train.py)的代码并放入本文。本文中代码与train.py的运行结果一致，可直接运行train.py进行验证。
## 背景介绍
......@@ -27,9 +27,9 @@ One-hot vector虽然自然，但是用处有限。比如，在互联网广告系
在机器学习领域里，各种“知识”被各种模型表示，词向量模型(word embedding model)就是其中的一类。通过词向量模型可将一个 one-hot vector映射到一个维度更低的实数向量（embedding vector），如$embedding(母亲节) = [0.3, 4.2, -1.5, ...], embedding(康乃馨) = [0.2, 5.6, -2.3, ...]$。在这个映射到的实数向量表示中，希望两个语义（或用法）上相似的词对应的词向量“更像”，这样如“母亲节”和“康乃馨”的对应词向量的余弦相似度就不再为零了。
词向量模型可以是概率模型、共生矩阵(co-occurrence matrix)模型或神经元网络模型。在用神经网络求词向量之前，传统做法是统计一个词语的共生矩阵$X$。$X$是一个$|V| \times |V|$ 大小的矩阵，$X_{ij}$表示在所有语料中，词汇表$V$(vocabulary)中第i个词和第j个词同时出现的词数，$|V|$为词汇表的大小。对$X$做矩阵分解（如奇异值分解，Singular Value Decomposition \[[5](#参考文献)\]），得到的$U$即视为所有词的词向量：
<p align="center">
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn1.gif"><br/>
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn1.gif?raw=true"><br/>
</p>
但这样的传统做法有很多问题：
......@@ -79,19 +79,19 @@ similarity: -0.0997506977351
对语言模型的目标概率$P(w_1, ..., w_T)$，如果假设文本中每个词都是相互独立的，则整句话的联合概率可以表示为其中所有词语条件概率的乘积，即：
<p align="center">
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn2.gif"><br/>
</p>
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn2.gif?raw=true"><br/>
</p>
然而我们知道语句中的每个词出现的概率都与其前面的词紧密相关, 所以实际上通常用条件概率表示语言模型：
<p align="center">
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn3.gif"><br/>
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn3.gif?raw=true"><br/>
</p>
### N-gram neural model
......@@ -99,17 +99,17 @@ similarity: -0.0997506977351
Yoshua Bengio等科学家就于2003年在著名论文 Neural Probabilistic Language Models \[[1](#参考文献)\] 中介绍如何学习一个神经元网络表示的词向量模型。文中的神经概率语言模型（Neural Network Language Model，NNLM）通过一个线性映射和一个非线性隐层连接，同时学习了语言模型和词向量，即通过学习大量语料得到词语的向量表达，通过这些向量得到整个句子的概率。因所有的词语都用一个低维向量来表示，用这种方法学习语言模型可以克服维度灾难（curse of dimensionality）。注意：由于“神经概率语言模型”说法较为泛泛，我们在这里不用其NNLM的本名，考虑到其具体做法，本文中称该模型为N-gram neural model。
我们在上文中已经讲到用条件概率建模语言模型，即一句话中第$t$个词的概率和该句话的前$t-1$个词相关。可实际上越远的词语其实对该词的影响越小，那么如果考虑一个n-gram, 每个词都只受其前面`n-1`个词的影响，则有：
我们在上文中已经讲到用条件概率建模语言模型，即一句话中第$t$个词的概率和该句话的前$t-1$个词相关。可实际上越远的词语其实对该词的影响越小，那么如果考虑一个n-gram, 每个词都只受其前面`n-1`个词的影响，则有：
<p align="center">
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn4.gif"><br/>
</p>
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn4.gif?raw=true"><br/>
</p>
给定一些真实语料，这些语料中都是有意义的句子，N-gram模型的优化目标则是最大化目标函数:
<p align="center">
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn5.gif"><br/>
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn5.gif?raw=true"><br/>
</p>
其中$f(w_t, w_{t-1}, ..., w_{t-n+1})$表示根据历史n-1个词得到当前词$w_t$的条件概率，$R(\theta)$表示参数正则项。
......@@ -124,24 +124,24 @@ Yoshua Bengio等科学家就于2003年在著名论文 Neural Probabilistic Langu
每个输入词$w_{t-n+1},...w_{t-1}$首先通过映射矩阵映射到词向量$C(w_{t-n+1}),...C(w_{t-1})$。
- 然后所有词语的词向量拼接成一个大向量，并经过一个非线性映射得到历史词语的隐层表示：
- 然后所有词语的词向量拼接成一个大向量，并经过一个非线性映射得到历史词语的隐层表示：
<p align="center">
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn6.gif"><br/>
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn6.gif?raw=true"><br/>
</p>
其中，$x$为所有词语的词向量拼接成的大向量，表示文本历史特征；$\theta$、$U$、$b_1$、$b_2$和$W$分别为词向量层到隐层连接的参数。$g$表示未经归一化的所有输出单词概率，$g_i$表示未经归一化的字典中第$i$个单词的输出概率。
- 根据softmax的定义，通过归一化$g_i$, 生成目标词$w_t$的概率为：
- 根据softmax的定义，通过归一化$g_i$, 生成目标词$w_t$的概率为：
<p align="center">
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn7.gif"><br/>
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn7.gif?raw=true"><br/>
</p>
- 整个网络的损失值(cost)为多类分类交叉熵，用公式表示为
- 整个网络的损失值(cost)为多类分类交叉熵，用公式表示为
<p align="center">
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn8.gif"><br/>
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn8.gif?raw=true"><br/>
</p>
其中$y_k^i$表示第$i$个样本第$k$类的真实标签(0或1)，$\text{softmax}(g_k^i)$表示第i个样本第k类softmax输出的概率。
......@@ -158,10 +158,10 @@ CBOW模型通过一个词的上下文（各N个词）预测当前词。当N=2时
具体来说，不考虑上下文的词语输入顺序，CBOW是用上下文词语的词向量的均值来预测当前词。即：
<p align="center">
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn9.gif"><br/>
</p>
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn9.gif?raw=true"><br/>
</p>
其中$x_t$为第$t$个词的词向量，分类分数（score）向量 $z=U*context$，最终的分类$y$采用softmax，损失函数采用多类分类交叉熵。
......@@ -246,7 +246,7 @@ from __future__ import print_function
```
然后，定义参数：
然后，定义参数：
```python
EMBED_SIZE = 32 # embedding维度
......@@ -391,10 +391,10 @@ def train(if_use_cuda, params_dirname, is_sparse=True):
outs = train_test(test_program, test_reader)
print("Step %d: Average Cost %f" % (step, outs[0]))
# 整个训练过程要花费几个小时，如果平均损失低于5.8，
# 我们就认为模型已经达到很好的效果可以停止训练了。
# 注意5.8是一个相对较高的值，为了获取更好的模型，可以将
# 整个训练过程要花费几个小时，如果平均损失低于5.8，
# 我们就认为模型已经达到很好的效果可以停止训练了。
# 注意5.8是一个相对较高的值，为了获取更好的模型，可以将
# 这里的阈值设为3.5，但训练时间也会更长。
if outs[0] < 5.8:
if params_dirname is not None:
......@@ -434,15 +434,15 @@ def infer(use_cuda, params_dirname=None):
exe = fluid.Executor(place)
inference_scope = fluid.core.Scope()
with fluid.scope_guard(inference_scope):
# 使用fluid.io.load_inference_model获取inference program，
with fluid.scope_guard(inference_scope):
# 使用fluid.io.load_inference_model获取inference program，
# feed变量的名称feed_target_names和从scope中fetch的对象fetch_targets
[inferencer, feed_target_names,
fetch_targets] = fluid.io.load_inference_model(params_dirname, exe)
# 设置输入，用四个LoDTensor来表示4个词语。这里每个词都是一个id，
# 用来查询embedding表获取对应的词向量，因此其形状大小是[1]。
# recursive_sequence_lengths设置的是基于长度的LoD，因此都应该设为[[1]]
# 设置输入，用四个LoDTensor来表示4个词语。这里每个词都是一个id，
# 用来查询embedding表获取对应的词向量，因此其形状大小是[1]。
# recursive_sequence_lengths设置的是基于长度的LoD，因此都应该设为[[1]]
# 注意recursive_sequence_lengths是列表的列表
data1 = numpy.asarray([[211]], dtype=numpy.int64) # 'among'
data2 = numpy.asarray([[6]], dtype=numpy.int64) # 'a'
......@@ -488,7 +488,7 @@ def infer(use_cuda, params_dirname=None):
[[0.03768077 0.03463154 0.00018074 ... 0.00022283 0.00029888 0.02967956]]
0
the
```
```
其中第一行表示预测词在词典上的概率分布，第二行表示概率最大的词对应的id，第三行表示概率最大的词。
整个程序的入口很简单：
......
04.word2vec/index.cn.html
浏览文件 @ e729d137
......@@ -43,18 +43,18 @@
# 词向量
本教程源代码目录在[book/word2vec](https://github.com/PaddlePaddle/book/tree/develop/04.word2vec),初次使用请您参考[Book文档使用说明](https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/README.cn.md#运行这本书)。
### 说明
1. 本教程可支持在 CPU/GPU 环境下运行
2. Docker镜像支持的CUDA/cuDNN版本
如果使用了Docker运行Book，请注意：这里所提供的默认镜像的GPU环境为 CUDA 8/cuDNN 5，对于NVIDIA Tesla V100等要求CUDA 9的 GPU，使用该镜像可能会运行失败;
3. 文档和脚本中代码的一致性问题
本教程源代码目录在[book/word2vec](https://github.com/PaddlePaddle/book/tree/develop/04.word2vec),初次使用请您参考[Book文档使用说明](https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/README.cn.md#运行这本书)。
### 说明
1. 本教程可支持在 CPU/GPU 环境下运行
2. Docker镜像支持的CUDA/cuDNN版本
如果使用了Docker运行Book，请注意：这里所提供的默认镜像的GPU环境为 CUDA 8/cuDNN 5，对于NVIDIA Tesla V100等要求CUDA 9的 GPU，使用该镜像可能会运行失败;
3. 文档和脚本中代码的一致性问题
请注意：为使本文更加易读易用，我们拆分、调整了[train.py](https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/train.py)的代码并放入本文。本文中代码与train.py的运行结果一致，可直接运行train.py进行验证。
## 背景介绍
......@@ -69,9 +69,9 @@ One-hot vector虽然自然，但是用处有限。比如，在互联网广告系
在机器学习领域里，各种“知识”被各种模型表示，词向量模型(word embedding model)就是其中的一类。通过词向量模型可将一个 one-hot vector映射到一个维度更低的实数向量（embedding vector），如$embedding(母亲节) = [0.3, 4.2, -1.5, ...], embedding(康乃馨) = [0.2, 5.6, -2.3, ...]$。在这个映射到的实数向量表示中，希望两个语义（或用法）上相似的词对应的词向量“更像”，这样如“母亲节”和“康乃馨”的对应词向量的余弦相似度就不再为零了。
词向量模型可以是概率模型、共生矩阵(co-occurrence matrix)模型或神经元网络模型。在用神经网络求词向量之前，传统做法是统计一个词语的共生矩阵$X$。$X$是一个$|V| \times |V|$ 大小的矩阵，$X_{ij}$表示在所有语料中，词汇表$V$(vocabulary)中第i个词和第j个词同时出现的词数，$|V|$为词汇表的大小。对$X$做矩阵分解（如奇异值分解，Singular Value Decomposition \[[5](#参考文献)\]），得到的$U$即视为所有词的词向量：
<p align="center">
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn1.gif"><br/>
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn1.gif?raw=true"><br/>
</p>
但这样的传统做法有很多问题：
......@@ -121,19 +121,19 @@ similarity: -0.0997506977351
对语言模型的目标概率$P(w_1, ..., w_T)$，如果假设文本中每个词都是相互独立的，则整句话的联合概率可以表示为其中所有词语条件概率的乘积，即：
<p align="center">
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn2.gif"><br/>
</p>
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn2.gif?raw=true"><br/>
</p>
然而我们知道语句中的每个词出现的概率都与其前面的词紧密相关, 所以实际上通常用条件概率表示语言模型：
<p align="center">
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn3.gif"><br/>
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn3.gif?raw=true"><br/>
</p>
### N-gram neural model
......@@ -141,17 +141,17 @@ similarity: -0.0997506977351
Yoshua Bengio等科学家就于2003年在著名论文 Neural Probabilistic Language Models \[[1](#参考文献)\] 中介绍如何学习一个神经元网络表示的词向量模型。文中的神经概率语言模型（Neural Network Language Model，NNLM）通过一个线性映射和一个非线性隐层连接，同时学习了语言模型和词向量，即通过学习大量语料得到词语的向量表达，通过这些向量得到整个句子的概率。因所有的词语都用一个低维向量来表示，用这种方法学习语言模型可以克服维度灾难（curse of dimensionality）。注意：由于“神经概率语言模型”说法较为泛泛，我们在这里不用其NNLM的本名，考虑到其具体做法，本文中称该模型为N-gram neural model。
我们在上文中已经讲到用条件概率建模语言模型，即一句话中第$t$个词的概率和该句话的前$t-1$个词相关。可实际上越远的词语其实对该词的影响越小，那么如果考虑一个n-gram, 每个词都只受其前面`n-1`个词的影响，则有：
我们在上文中已经讲到用条件概率建模语言模型，即一句话中第$t$个词的概率和该句话的前$t-1$个词相关。可实际上越远的词语其实对该词的影响越小，那么如果考虑一个n-gram, 每个词都只受其前面`n-1`个词的影响，则有：
<p align="center">
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn4.gif"><br/>
</p>
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn4.gif?raw=true"><br/>
</p>
给定一些真实语料，这些语料中都是有意义的句子，N-gram模型的优化目标则是最大化目标函数:
<p align="center">
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn5.gif"><br/>
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn5.gif?raw=true"><br/>
</p>
其中$f(w_t, w_{t-1}, ..., w_{t-n+1})$表示根据历史n-1个词得到当前词$w_t$的条件概率，$R(\theta)$表示参数正则项。
......@@ -166,24 +166,24 @@ Yoshua Bengio等科学家就于2003年在著名论文 Neural Probabilistic Langu
每个输入词$w_{t-n+1},...w_{t-1}$首先通过映射矩阵映射到词向量$C(w_{t-n+1}),...C(w_{t-1})$。
- 然后所有词语的词向量拼接成一个大向量，并经过一个非线性映射得到历史词语的隐层表示：
- 然后所有词语的词向量拼接成一个大向量，并经过一个非线性映射得到历史词语的隐层表示：
<p align="center">
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn6.gif"><br/>
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn6.gif?raw=true"><br/>
</p>
其中，$x$为所有词语的词向量拼接成的大向量，表示文本历史特征；$\theta$、$U$、$b_1$、$b_2$和$W$分别为词向量层到隐层连接的参数。$g$表示未经归一化的所有输出单词概率，$g_i$表示未经归一化的字典中第$i$个单词的输出概率。
- 根据softmax的定义，通过归一化$g_i$, 生成目标词$w_t$的概率为：
- 根据softmax的定义，通过归一化$g_i$, 生成目标词$w_t$的概率为：
<p align="center">
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn7.gif"><br/>
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn7.gif?raw=true"><br/>
</p>
- 整个网络的损失值(cost)为多类分类交叉熵，用公式表示为
- 整个网络的损失值(cost)为多类分类交叉熵，用公式表示为
<p align="center">
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn8.gif"><br/>
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn8.gif?raw=true"><br/>
</p>
其中$y_k^i$表示第$i$个样本第$k$类的真实标签(0或1)，$\text{softmax}(g_k^i)$表示第i个样本第k类softmax输出的概率。
......@@ -200,10 +200,10 @@ CBOW模型通过一个词的上下文（各N个词）预测当前词。当N=2时
具体来说，不考虑上下文的词语输入顺序，CBOW是用上下文词语的词向量的均值来预测当前词。即：
<p align="center">
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn9.gif"><br/>
</p>
<img src = "https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/04.word2vec/image/Eqn9.gif?raw=true"><br/>
</p>
其中$x_t$为第$t$个词的词向量，分类分数（score）向量 $z=U*context$，最终的分类$y$采用softmax，损失函数采用多类分类交叉熵。
......@@ -288,7 +288,7 @@ from __future__ import print_function
```
然后，定义参数：
然后，定义参数：
```python
EMBED_SIZE = 32 # embedding维度
......@@ -433,10 +433,10 @@ def train(if_use_cuda, params_dirname, is_sparse=True):
outs = train_test(test_program, test_reader)
print("Step %d: Average Cost %f" % (step, outs[0]))
# 整个训练过程要花费几个小时，如果平均损失低于5.8，
# 我们就认为模型已经达到很好的效果可以停止训练了。
# 注意5.8是一个相对较高的值，为了获取更好的模型，可以将
# 整个训练过程要花费几个小时，如果平均损失低于5.8，
# 我们就认为模型已经达到很好的效果可以停止训练了。
# 注意5.8是一个相对较高的值，为了获取更好的模型，可以将
# 这里的阈值设为3.5，但训练时间也会更长。
if outs[0] < 5.8:
if params_dirname is not None:
......@@ -476,15 +476,15 @@ def infer(use_cuda, params_dirname=None):
exe = fluid.Executor(place)
inference_scope = fluid.core.Scope()
with fluid.scope_guard(inference_scope):
# 使用fluid.io.load_inference_model获取inference program，
with fluid.scope_guard(inference_scope):
# 使用fluid.io.load_inference_model获取inference program，
# feed变量的名称feed_target_names和从scope中fetch的对象fetch_targets
[inferencer, feed_target_names,
fetch_targets] = fluid.io.load_inference_model(params_dirname, exe)
# 设置输入，用四个LoDTensor来表示4个词语。这里每个词都是一个id，
# 用来查询embedding表获取对应的词向量，因此其形状大小是[1]。
# recursive_sequence_lengths设置的是基于长度的LoD，因此都应该设为[[1]]
# 设置输入，用四个LoDTensor来表示4个词语。这里每个词都是一个id，
# 用来查询embedding表获取对应的词向量，因此其形状大小是[1]。
# recursive_sequence_lengths设置的是基于长度的LoD，因此都应该设为[[1]]
# 注意recursive_sequence_lengths是列表的列表
data1 = numpy.asarray([[211]], dtype=numpy.int64) # 'among'
data2 = numpy.asarray([[6]], dtype=numpy.int64) # 'a'
......@@ -530,7 +530,7 @@ def infer(use_cuda, params_dirname=None):
[[0.03768077 0.03463154 0.00018074 ... 0.00022283 0.00029888 0.02967956]]
0
the
```
```
其中第一行表示预测词在词典上的概率分布，第二行表示概率最大的词对应的id，第三行表示概率最大的词。
整个程序的入口很简单：
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