1.4 Word2Vec是如何工作的? Word2Vec与LDA 的区别和联系？

news2024/10/22 15:22:59

1.4 Word2Vec：词嵌入模型之一

场景描述

谷歌2013年提出的Word2Vec是目前最常用的词嵌入模型之一。

Word2Vec实际是一种浅层的神经网络模型,它有两种网络结构，分别是CBOW(Continues Bag of Words)和Skip-gram。

在这里插入图片描述

知识点

Word2Vec,
隐狄利克雷模型(LDA),
CBOW,
Skip-gram

问题1：Word2Vec是如何工作的?

CBOW的目标是根据上下文出现的词语来预测当前词的生成概率，如图1.3(a)所示；

而Skip-gram是根据当前词来预测上下文中各词的生成概率,如图1.3(b)所示。

其中w(t)是当前所关注的词，w(t-2)、w(t-1)、w(t+1)、w(t+2)是上下文中出现的词。这里前后滑动窗口大小均设为2。
CBOW和Skip-gram都可以表示成由**输入层(Input)、映射层(Projection)和输出层(Output)**组成的神经网络。

输入层中的每个词由独热编码方式表示，即所有词均表示成一个N维向量，其中N为词汇表中单词的总数。在向量中，每个词都将与之对应的维度置为1，其余维度的值均设为0。
在映射层(又称隐含层)中,K个隐含单元(Hidden Units)的取值可以由N维输入向量以及连接输入和隐含单元之间的N×K维权重矩阵计算得到。在CBOW中，还需要将各个输入词所计算出的隐含单元求和。
同理，输出层向量的值可以通过隐含层向量(K维)，以及连接隐含层和输出层之间的K×N维权重矩阵计算得到。输出层也是一个N维向量，每维与词汇表中的一个单词相对应。最后，对输出层向量应用Softmax激活函数，可以计算出每个单词的生成概率。Softmax激活函数的定义为（式1.7）

其中x代表N维的原始输出向量，xn为在原始输出向量中，与单词wn所对应维度的取值。

训练权重：接下来的任务就是训练神经网络的权重，使得语料库中所有单词的整体生成概率最大化。

具体做法：从输入层到隐含层需要一个维度为N×K的权重矩阵，从隐含层到输出层又需要一个维度为K×N的权重矩阵，学习权重可以用反向传播算法实现，每次迭代时将权重沿梯度更优的方向进行一小步更新。

问题：但是由于Softmax激活函数中存在归一化项的缘故，推导出来的迭代公式需要对词汇表中的所有单词进行遍历，使得每次迭代过程非常缓慢。

解决：由此产生了Hierarchical Softmax和NegativeSampling两种改进方法,有兴趣的读者可以参考Word2Vec 的原论文[3]。训练得到维度为N×K和K×N的两个权重矩阵之后，可以选择其中一个作为N个词的K维向量表示。

[3] Mikolo v T,Chen K,Corrado G,et al.Efficient estimation of word representations invector space[J].Computer Science,2013.

问题2：Word2Vec与LDA 的区别和联系？

LDA 是利用文档中单词的共现关系来对单词按主题聚类，也可以理解为对“文档-单词”矩阵进行分解，得到“文档﹣主题”和“主题﹣单词”两个概率分布。
而Word2Vec其实是对“上下文-单词”矩阵进行学习，其中上下文由周围的几个单词组成，由此得到的词向量表示更多地融入了上下文共现的特征。也就是说，如果两个单词所对应的Word2Vec向量相似度较高，那么它们很可能经常在同样的上下文中出现。

需要说明的是，上述分析的是LDA 与Word2Vec的不同，不应该作为主题模型和词嵌入两类方法的主要差异。

主题模型通过一定的结构调整可以基于“上下文-单词”矩阵进行主题推理。
同样地，词嵌入方法也可以根据“文档-单词”矩阵学习出词的隐含向量表示。

主题模型和词嵌入两类方法最大的不同其实在于模型本身。

主题模型是一种基于概率图模型的生成式模型，其似然函数可以写成若干条件概率连乘的形式，其中包括需要推测的隐含变量(即主题)；
而词嵌入模型一般表达为神经网络的形式，似然函数定义在网络的输出之上，需要通过学习网络的权重以得到单词的稠密向量表示。