word2vec是如何得到词向量的？

Posted 2023-03-29

word2vec是一个将单词转换成向量形式的工具。可以把对文本内容的处理简化为向量空间中的向量运算，计算出向量空间上的相似度，来表示文本语义上的相似度。

一、理论概述：

1.词向量是什么？自然语言理解的问题要转化为机器学习的问题，第一步肯定是要找一种方法把这些符号数学化。NLP 中最直观，也是到目前为止最常用的词表示方法是 One-hot Representation，这种方法把每个词表示为一个很长的向量。这个向量的维度是词表大小，其中绝大多数元素为 0，只有一个维度的值为 1，这个维度就代表了当前的词。

举个栗子：

“话筒”表示为 [0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ...]

“麦克”表示为 [0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 ...]

每个词都是茫茫 0 海中的一个 1。这种 One-hot Representation 如果采用稀疏方式存储，会是非常的简洁：也就是给每个词分配一个数字 ID。比如刚才的例子中，话筒记为 3，麦克记为 8（假设从 0 开始记）。如果要编程实现的话，用 Hash 表给每个词分配一个编号就可以了。这么简洁的表示方法配合上最大熵、SVM、CRF 等等算法已经很好地完成了 NLP 领域的各种主流任务。当然这种表示方法也存在一个重要的问题就是“词汇鸿沟”现象：任意两个词之间都是孤立的。光从这两个向量中看不出两个词是否有关系，哪怕是话筒和麦克这样的同义词也不能幸免于难。Deep Learning 中一般用到的词向量并不是刚才提到的用 One-hot Representation 表示的那种很长很长的词向量，而是用 Distributed Representation（不知道这个应该怎么翻译，因为还存在一种叫“Distributional Representation”(类似，LDA中用topic表示词语的词向量的表示方法）表示的一种低维实数向量。这种向量一般是这个样子：[0.792, −0.177, −0.107, 0.109, −0.542, ...]。维度以 50 维和 100 维比较常见。

2.词向量的来历？Distributed representation 最早是 Hinton 在 1986 年的论文《Learning distributed representations of concepts》中提出的。虽然这篇文章没有说要将词做 Distributed representation但至少这种先进的思想在那个时候就在人们的心中埋下了火种，到 2000 年之后开始逐渐被人重视。

3. 词向量的训练：要介绍词向量是怎么训练得到的，就不得不提到语言模型。到目前为止我了解到的所有训练方法都是在训练语言模型的同时，顺便得到词向量的。这也比较容易理解，要从一段无标注的自然文本中学习出一些东西，无非就是统计出词频、词的共现、词的搭配之类的信息。而要从自然文本中统计并建立一个语言模型，无疑是要求最为精确的一个任务（也不排除以后有人创造出更好更有用的方法）。既然构建语言模型这一任务要求这么高，其中必然也需要对语言进行更精细的统计和分析，同时也会需要更好的模型，更大的数据来支撑。目前最好的词向量都来自于此，也就不难理解了。词向量的训练最经典的有 3 个工作，C&W 2008、M&H 2008、Mikolov 2010。当然在说这些工作之前，不得不介绍一下这一系列中 Bengio 的经典之作

4. 词向量的评价：词向量的评价大体上可以分成两种方式，第一种是把词向量融入现有系统中，看对系统性能的提升；第二种是直接从语言学的角度对词向量进行分析，如相似度、语义偏移等。

参考技术A

word2vec也叫word embeddings，中文名“词向量”，作用就是将自然语言中的字词转为计算机可以理解的稠密向量（Dense Vector）。在word2vec出现之前，自然语言处理经常把字词转为离散的单独的符号，也就是One-Hot Encoder。

杭州 [0,0,0,0,0,0,0,1,0,……，0,0,0,0,0,0,0]

上海 [0,0,0,0,1,0,0,0,0,……，0,0,0,0,0,0,0]

宁波 [0,0,0,1,0,0,0,0,0,……，0,0,0,0,0,0,0]

北京 [0,0,0,0,0,0,0,0,0,……，1,0,0,0,0,0,0]

比如上面的这个例子，在语料库中，杭州、上海、宁波、北京各对应一个向量，向量中只有一个值为1，其余都为0。但是使用One-Hot Encoder有以下问题。一方面，城市编码是随机的，向量之间相互独立，看不出城市之间可能存在的关联关系。其次，向量维度的大小取决于语料库中字词的多少。如果将世界所有城市名称对应的向量合为一个矩阵的话，那这个矩阵过于稀疏，并且会造成维度灾难。 使用Vector Representations可以有效解决这个问题。Word2Vec可以将One-Hot Encoder转化为低维度的连续值，也就是稠密向量，并且其中意思相近的词将被映射到向量空间中相近的位置。 如果将embed后的城市向量通过PCA降维后可视化展示出来，那就是这个样子。我们可以发现，华盛顿和纽约聚集在一起，北京上海聚集在一起，且北京到上海的距离与华盛顿到纽约的距离相近。也就是说模型学习到了城市的地理位置，也学习到了城市地位的关系。

参考技术B

词向量模型：

a)  LSA矩阵分解模型，采用线性代数中的奇异值分解方法，选取前几个比较大的奇异值所对应的特征向量将原矩阵映射到低维空间中，从而达到词矢量的目的。

b)  PLSA 潜在语义分析概率模型，从概率学的角度重新审视了矩阵分解模型，并得到一个从统计，概率角度上推导出来的和LSA相当的词矢量模型。

c)  LDA 文档生成模型，按照文档生成的过程，使用贝叶斯估计统计学方法，将文档用多个主题来表示。LDA不只解决了同义词的问题，还解决了一次多义的问题。目前训练LDA模型的方法有原始论文中的基于EM和 差分贝叶斯方法以及后来出现的Gibbs Samplings 采样算法。

d)  Word2Vector 模型，最近几年刚刚火起来的算法，通过神经网络机器学习算法来训练N-gram 语言模型，并在训练过程中求出word所对应的vector的方法。本文将详细阐述此方法的原理。