零、自然语言处理开篇

目录

0、NLP任务的基础——符号向量化

0.0 词袋模型

0.1 查表/One-hot编码

0.2 词嵌入模型/预训练模型

0.2.0 Word2Vec

（0）CBOW

（1）Skip-gram

0.2.1 GloVe

0.2.2 WordPiece

0.2.3 BERT

0.2.4 ERNIE

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NLP自然语言处理，目的是实现计算机对人类语言的智能理解和应用，使得计算机可以像人类一样与人类语言进行交互、分析和生成文本。——By ChatGPT

其主要思想是将人类语言文本转化为数学符号，进而利用统计学、概率学以及各类模型方法完成分类、回归等。

NLP处理常见套路其主要数据获取（不会写爬虫的nlper不是一个好程序员）-> 数据清洗-> 特征工程 -> 模型选取 -> 模型训练 ->效果评估 -> 上线

NLP的常见任务：0、本文向量化；1、文本分类；2、序列标注；3、句子关系判断；4、生成式任务；5、知识图谱；6、大语言模型；7、...。

NLP的常见应用场景：句子情感分析、话题分析、舆情分析、搜索、中文分词、推荐、问答系统、聊天机器人...。

0、NLP任务的基础——符号向量化

文字是符号，无法直接被计算机识别，需要转换为计算机模型能够识别的编码，最常见的就是转换为向量。

0.0 词袋模型

在传统检索和文档分类中较为常用，将词语出现的词频/TF-IDF值作为向量值，例如有两篇文档

Doc1：虽然词语无法直接转化为数值->[虽然, 词语, 无法, 直接, 转化, 为, 数值]

Doc2：统计文本中词语的出现情况->[统计, 文本, 中, 词语, 的, 出现, 情况]

合并两个文档中的所有词，[虽然, 词语, 无法, 直接, 转化, 为, 数值，统计, 文本, 中, 的, 出现, 情况 ]，统计频率后，可以将上面两篇文档表示为如下向量

Doc1：[1, 2, 1, 1, 1, 1, 1，0, 0, 0, 0, 0, 0 ]

Doc2：[0, 2 , 0, 0, 0, 0, 0，1, 1, 1, 1, 1, 1 ]

词的顺序对传统机器学习影响较小，如聚类、cosin系数、jaccard系数等的计算，均是按位计算求和平均，因此位次重要程度不高。

不足：无法展示词的上下文信息。

0.1 查表/One-hot编码

指定一个包含较为完整的词典，文档转换为向量时，纬度和词表大小相同，向量中若一个词出现，则该位置数值为1，反之为0。

例如，我们有一个13个词的词典：[虽然, 词语, 无法, 直接, 转化, 为, 数值，统计, 文本, 中, 的, 出现, 情况 ]，

那么对于一个这样的Doc“虽然词语无法直接转化为数值 ”，转换方式可见如下两种：

直接查表：[虽然, 词语, 无法, 直接, 转化, 为, 数值] -> [1,1,1,1,1,1,1,0, 0, 0, 0, 0, 0]

One-hot编码：虽然->[1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0]，词语->[0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0]，无法->[0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0]...，数值 ->[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1]

不足，词表大的话向量过于稀疏，若直接用于训练效率低。

0.2 词嵌入模型/预训练模型

为解决无法联系上下文和向量稀疏问题，提出了一种Word Embeddings的方法，它是一种利用神经网络将词汇映射到低维实数向量的方法。

0.2.0 Word2Vec

参考文献：Mikolov T, Chen K, Corrado G, et al. Efficient estimation of word representations in vector space[J]. arXiv preprint arXiv:1301.3781, 2013.

（0）CBOW

CBOW模型将上下文的单词作为输入，预测中心单词。适合大语料库，适合高频词的向量化，因为更多依赖上下文进行预测。

输入层：一个个的单词one-hot编码的张量1*V，V表示词表的大小。

隐层：V*N的隐层权重张量，也称为word-embedding层，N表述维度，w2v一般是128维。输入层和隐层相乘，会得到一个C*N的张量，C为词的个数，将这C个词相加，得到一个1*N的张量。（隐藏的输出即可作为词嵌入）

输出层：构建一个N*V的输出层矩阵，将隐层的输出1*N与这个N*V相乘，得到一个1*V的张量（可经过softmax），这个就是通过中心词得到的上下文词的概率矩阵。

训练效率高、高词频词效果更好。

（1）Skip-gram

Skip-gram模型将中心单词作为输入，预测上下文单词。适合语料库较小的情况，对于低频词有更好的表现。因为他对一个词需要预测其上下多个词的结果，相当于这个词计算了多次，更加准确。

输入层：中心词转换为1个1*V的one-hot张量，V表示词表大小。

隐层：隐层权重为V*N，N为维度，一般为128维。经过隐层后，变成一个1*N的张量（隐藏的输出即可作为词嵌入）。

输出层：构建C个N*V的输出层权重张量，C表示上下文中词的数量，最后输出C个1*V的张量（可经过softmax），即代表由中心词推理出的上下文的结果。

Skip-gram一般使用一个滑动窗口，默认是5，即中心词前后各2个词。

小规模数据集、生僻字效果好

Word2Vector相比1-2两种转换方式，可以捕捉语义信息，例如同义词信息，上下文相似的两个词，它们的词向量也应该相似，且训练效率相对较高。

0.2.1 GloVe

参考文献：Pennington J, Socher R, Manning C D. Glove: Global vectors for word representation[C]//Proceedings of the 2014 conference on empirical methods in natural language processing (EMNLP). 2014: 1532-1543.

共现矩阵+基于窗口词的预测

I like deep learning.	
I like NLP.	
I enjoy flying

共现矩阵

概率矩阵

已知ice和steam这两个词在语料中出现的频率，这两个词被视为目标词（target words) 。此时，暂且不直接去求解这两个词之间的共现关系，而是基于这两个词的频率，去探索一下给定这两个目标词的情况下，其他词的条件概率是一个什么情况，这里的k就是其他词。

首先，我们计算给定单词ice的情况下，单词k出现的频率，也就是说，k出现在i的上下文中的概率是多少。这个条件概率记做P(k|ice)，P(k|ice) = X k,ice / X ice，X k, ice是k和ice在同一个context中出现的次数，X ice为ice出现的次数。同理，我们计算P(k|steam)，计算方法一样。这里的k可以是字典中的任何一个单词。

0.2.2 WordPiece

参考文献：Kudo T. Subword regularization: Improving neural network translation models with multiple subword candidates[J]. arXiv preprint arXiv:1804.10959, 2018.

tokenize的常用方法，输入bert和ernie前都会经过这一步将词进行初步切词，输出子词序列。然后根据子词的id生成向量。该方法可以解决OOV（词不在词表）的问题。

训练集的词汇: old older oldest smart smarter smartest
word-level 词典: old older oldest smart smarter smartest 长度为 6
subword-level 词典: old smart er est 长度为 4

0.2.3 BERT

参考文献：Devlin J, Chang M W, Lee K, et al. Bert: Pre-training of deep bidirectional transformers for language understanding[J]. arXiv preprint arXiv:1810.04805, 2018.

0）Bidirectional Encoder Representation from Transformers，结构如下：

自编码（Auto-Encoding）语言模型，Autoencoding Language Modeling，自编码语言模型：通过上下文信息来预测当前被mask的token，代表有BERT、Word2Vec(CBOW)等.它使用MLM做预训练任务，自编码预训模型往往更擅长做判别类任务，或者叫做自然语言理解（Natural Language Understanding，NLU）任务，例如文本分类，NER等。

自回归（Auto-Regressive）语言模型，Aotoregressive Lanuage Modeling，自回归语言模型：根据前面(或后面)出现的token来预测当前时刻的token，代表模型有ELMO、GTP等,它一般采用生成类任务做预训练，类似于我们写一篇文章，自回归语言模型更擅长做生成类任务（Natural Language Generating，NLG），例如文章生成等。

1）输入

参考：BERT的3个Embedding的实现原理_token embeddings-CSDN博客

一个长度为n的输入序列（n表示词组个数，token数），一般是512

Token Embeddings：采用wordpiece对文本进行切割成一个个子词，经过embedding后每一个子词输出为768维的向量 (1, n, 768)

Segment Embeddings：切割句子用的(1, n, 768)

Position Embeddings：用于标记词在句子中的位置，(1, n, 768)

整个输入是一个1*512*768的张量。

2）中间层

12个transformer的encoder，每个head是64个神经元，也就是H=768，所以，在transformer的encoder里，单个的的Wq,Wk,Wv都是768*64的矩阵，那么Q,K,V则都是512*64的矩阵，Q，K_T相乘后的相关度矩阵则为512*512，归一化后跟V相乘后的z矩阵的大小则为512*64，这是一个attention计算出的结果。12个attention则是将12个512*64大小的矩阵横向concat，得到一个512*768大小的多头输出，这个输出再接一层768的全连接层，最后就是整个muti-head-attention的输出了，如图4所示。整个的维度变化过程如下图所示：

3）输出

768维向量

BERT这种encoder-only，因为它用masked language modeling预训练，不擅长做生成任务，做NLU一般也需要有监督的下游数据微调；相比之下，decoder-only的模型用next token prediction预训练，兼顾理解和生成，在各种下游任务上的zero-shot和few-shot都很好。

总体参数量（输入权重矩阵、transformer的权重矩阵等等）约1亿左右。

0.2.4 ERNIE

参考文献：Sun Y, Wang S, Li Y, et al. Ernie: Enhanced representation through knowledge integration[J]. arXiv preprint arXiv:1904.09223, 2019.

BERT 模型主要是聚焦在针对字或者英文word粒度的完形填空学习上面，没有充分利用训练数据当中词法结构，语法结构，以及语义信息去学习建模。比如 “我要买苹果手机”，BERT 模型 将 “我”，“要”， “买”，“苹”， “果”，“手”， “机” 每个字都统一对待，随机mask，丢失了“苹果手机” 是一个很火的名词这一信息，这个是词法信息的缺失。

针对上面这个问题，ERNIE对训练数据中的词法结构，语法结构，语义信息进行统一建模

ERNIE在训练过程前，会对句子进行关键短语切割、命名实体识别等，通过有针对性的mask掉这些重要信息，增强模型的学习能力。

模型结构基本和bert一致，差别不大。

附：ernie3.0简单介绍

分层训练，universal representation是基础特征模型，task-specific representation是任务模块，可用于分类、生成等