文本挖掘的分詞原理

from : http://www.cnblogs.com/pinard/p/6677078.html

    在做文本挖掘的時候,首先要做的預處理就是分詞。英文單詞天然有空格隔開容易按照空格分詞,但是也有時候需要把多個單詞做爲一個分詞,比如一些名詞如“New York”,需要做爲一個詞看待。而中文由於沒有空格,分詞就是一個需要專門去解決的問題了。無論是英文還是中文,分詞的原理都是類似的,本文就對文本挖掘時的分詞原理做一個總結。

1. 分詞的基本原理

    現代分詞都是基於統計的分詞,而統計的樣本內容來自於一些標準的語料庫。假如有一個句子:“小明來到荔灣區”,我們期望語料庫統計後分詞的結果是:"小明/來到/荔灣/區",而不是“小明/來到/荔/灣區”。那麼如何做到這一點呢?

    從統計的角度,我們期望"小明/來到/荔灣/區"這個分詞後句子出現的概率要比“小明/來到/荔/灣區”大。如果用數學的語言來說說,如果有一個句子S,它有m種分詞選項如下:

A11A12...A1n1
A21A22...A2n2
............
Am1Am2...Amnm

    其中下標ni代表第i種分詞的詞個數。如果我們從中選擇了最優的第r種分詞方法,那麼這種分詞方法對應的統計分佈概率應該最大,即:

r=argmax⏟iP(Ai1,Ai2,...,Aini)

    但是我們的概率分佈P(Ai1,Ai2,...,Aini)並不好求出來,因爲它涉及到ni個分詞的聯合分佈。在NLP中,爲了簡化計算,我們通常使用馬爾科夫假設,即每一個分詞出現的概率僅僅和前一個分詞有關,即:

P(Aij|Ai1,Ai2,...,Ai(j−1))=P(Aij|Ai(j−1))

    在前面我們講MCMC採樣時,也用到了相同的假設來簡化模型複雜度。使用了馬爾科夫假設,則我們的聯合分佈就好求了,即:

P(Ai1,Ai2,...,Aini)=P(Ai1)P(Ai2|Ai1)P(Ai3|Ai2)...P(Aini|Ai(ni−1))

    而通過我們的標準語料庫,我們可以近似的計算出所有的分詞之間的二元條件概率,比如任意兩個詞w1,w2,它們的條件概率分佈可以近似的表示爲:

P(w2|w1)=P(w1,w2)P(w1)≈freq(w1,w2)freq(w1)
P(w1|w2)=P(w2,w1)P(w2)≈freq(w1,w2)freq(w2)

    其中freq(w1,w2)表示w1,w2在語料庫中相鄰一起出現的次數,而其中freq(w1),freq(w2)分別表示w1,w2在語料庫中出現的統計次數。

    利用語料庫建立的統計概率,對於一個新的句子,我們就可以通過計算各種分詞方法對應的聯合分佈概率,找到最大概率對應的分詞方法,即爲最優分詞。

2. N元模型

    當然,你會說,只依賴於前一個詞太武斷了,我們能不能依賴於前兩個詞呢?即:

P(Ai1,Ai2,...,Aini)=P(Ai1)P(Ai2|Ai1)P(Ai3|Ai1,Ai2)...P(Aini|Ai(ni−2),Ai(ni−1))

    這樣也是可以的,只不過這樣聯合分佈的計算量就大大增加了。我們一般稱只依賴於前一個詞的模型爲二元模型(Bi-Gram model),而依賴於前兩個詞的模型爲三元模型。以此類推,我們可以建立四元模型,五元模型,...一直到通用的N元模型。越往後,概率分佈的計算複雜度越高。當然算法的原理是類似的。

    在實際應用中,N一般都較小,一般都小於4,主要原因是N元模型概率分佈的空間複雜度爲O(|V|N),其中|V|爲語料庫大小,而N爲模型的元數,當N增大時,複雜度呈指數級的增長。

    N元模型的分詞方法雖然很好,但是要在實際中應用也有很多問題,首先,某些生僻詞,或者相鄰分詞聯合分佈在語料庫中沒有,概率爲0。這種情況我們一般會使用拉普拉斯平滑,即給它一個較小的概率值,這個方法在樸素貝葉斯算法原理小結也有講到。第二個問題是如果句子長,分詞有很多情況,計算量也非常大,這時我們可以用下一節維特比算法來優化算法時間複雜度。

3. 維特比算法與分詞

    爲了簡化原理描述,我們本節的討論都是以二元模型爲基礎。

    對於一個有很多分詞可能的長句子,我們當然可以用暴力方法去計算出所有的分詞可能的概率,再找出最優分詞方法。但是用維特比算法可以大大簡化求出最優分詞的時間。

    大家一般知道維特比算法是用於隱式馬爾科夫模型HMM解碼算法的,但是它是一個通用的求序列最短路徑的方法,不光可以用於HMM,也可以用於其他的序列最短路徑算法,比如最優分詞。

    維特比算法採用的是動態規劃來解決這個最優分詞問題的,動態規劃要求局部路徑也是最優路徑的一部分,很顯然我們的問題是成立的。首先我們看一個簡單的分詞例子:"人生如夢境"。它的可能分詞可以用下面的概率圖表示:

    圖中的箭頭爲通過統計語料庫而得到的對應的各分詞條件概率。比如P(生|人)=0.17。有了這個圖,維特比算法需要找到從Start到End之間的一條最短路徑。對於在End之前的任意一個當前局部節點,我們需要得到到達該節點的最大概率δ,和記錄到達當前節點滿足最大概率的前一節點位置Ψ

    我們先用這個例子來觀察維特比算法的過程。首先我們初始化有:

δ(人)=0.26Ψ(人)=Startδ(人生)=0.44Ψ(人生)=Start

    對於節點"生",它只有一個前向節點,因此有:

δ(生)=δ(人)P(生|人)=0.0442Ψ(生)=人

     對於節點"如",就稍微複雜一點了,因爲它有多個前向節點,我們要計算出到“如”概率最大的路徑:

δ(如)=max{δ(生)P(如|生),δ(人生)P(如|人生)}=max{0.01680,0.3168}=0.3168Ψ(如)=人生

    類似的方法可以用於其他節點如下:

δ(如夢)=δ(人生)P(如夢|人生)=0.242Ψ(如夢)=人生
δ(夢)=δ(如)P(夢|如)=0.1996Ψ(夢)=如
δ(境)=max{δ(夢)P(境|夢),δ(如夢)P(境|如夢)}=max{0.0359,0.0315}=0.0359Ψ(境)=夢
δ(夢境)=δ(夢境)P(夢境|如)=0.1585Ψ(夢境)=如

    最後我們看看最終節點End:

δ(End)=max{δ(夢境)P(End|夢境),δ(境)P(End|境)}=max{0.0396,0.0047}=0.0396Ψ(End)=夢境

    由於最後的最優解爲“夢境”,現在我們開始用Ψ反推:

Ψ(End)=夢境→Ψ(夢境)=如→Ψ(如)=人生→Ψ(人生)=start

    從而最終的分詞結果爲"人生/如/夢境"。是不是很簡單呢。

    由於維特比算法我會在後面講隱式馬爾科夫模型HMM解碼算法時詳細解釋,這裏就不歸納了。

4. 常用分詞工具

    對於文本挖掘中需要的分詞功能,一般我們會用現有的工具。簡單的英文分詞不需要任何工具,通過空格和標點符號就可以分詞了,而進一步的英文分詞推薦使用nltk。對於中文分詞,則推薦用結巴分詞(jieba)。這些工具使用都很簡單。你的分詞沒有特別的需求直接使用這些分詞工具就可以了。

5. 結語

    分詞是文本挖掘的預處理的重要的一步,分詞完成後,我們可以繼續做一些其他的特徵工程,比如向量化(vectorize),TF-IDF以及Hash trick,這些我們後面再講。

 

(歡迎轉載,轉載請註明出處。歡迎溝通交流: [email protected]) 

發表評論
所有評論
還沒有人評論,想成為第一個評論的人麼? 請在上方評論欄輸入並且點擊發布.
相關文章