统计语言模型

Posted 2020-10-18

语言模型

p(S) 就是语言模型，即用来计算一个句子 S 概率的模型。

那么，如何计算呢？最简单、直接的方法是计数后做除法，即最大似然估计（Maximum Likelihood Estimate，MLE），如下：

 

其中，count(w1,w2,…,wi?1,wi) 表示词序列(w1,w2,…,wi?1,wi) 在语料库中出现的频率。这里面临两个重要的问题：数据稀疏严重和参数空间过大，导致无法实用。

实际中，我们一般较常使用的是 N 元语法模型（N-Gram），它采用了马尔科夫假设（Markov Assumption），即认为语言中每个单词只与其前面长度 N-1 的上下文有关。

• 假设下一个词的出现依赖它前面的一个词，即 bigram，则有：

• 假设下一个词的出现依赖它前面的两个词，即 trigram，则有：

那么，我们在面临实际问题时，如何选择依赖词的个数，即 N 呢？

• 更大的 n：对下一个词出现的约束信息更多，具有更大的辨别力；
• 更小的 n：在训练语料库中出现的次数更多，具有更可靠的统计信息，具有更高的可靠性。

理论上，n 越大越好，经验上，trigram 用的最多，尽管如此，原则上，能用 bigram 解决，绝不使用 trigram。

从本质上说，这种统计语言模型描述的是有限状态的正则文法语言，而自然语言是不确定性语言，因此与真实语言差异较大，表达能力有限，尤其无法较好的处理长距离依赖语言现象。但是，其抓住了自然语言中的局部性约束（Local Constrain）性质，因此该模型在实际应用中取得了较大的成功。

言模型效果评估

语言模型构造完成后，如何确定其好坏呢？目前主要有两种评价方法：

• 实用方法：通过查看该模型在实际应用（如拼写检查、机器翻译）中的表现来评价，优点是直观、实用，缺点是缺乏针对性、不够客观；
• 理论方法：迷惑度/困惑度/混乱度（preplexity），其基本思想是给测试集赋予较高概率值的语言模型较好，公式如下：

由公式可知，迷惑度越小，句子概率越大，语言模型越好。

数据稀疏与平滑技术

大规模数据统计方法与有限的训练语料之间必然产生数据稀疏问题，导致零概率问题，符合经典的 zip’f 定律。如 IBM Brown：366M 英语语料训练 trigram，在测试语料中，有14.7% 的 trigram 和 2.2% 的bigram 在训练语料中未出现。

为了解决数据稀疏问题，人们为理论模型实用化而进行了众多尝试与努力，诞生了一系列经典的平滑技术，它们的基本思想是“降低已出现 n-gram 的条件概率分布，以使未出现的 n-gram 条件概率分布非零”，且经数据平滑后一定保证概率和为1，数据平滑前后如下图所示：

 

• Add-one（Laplace） Smoothing

加一平滑法，又称拉普拉斯定律，其保证每个 n-gram 在训练语料中至少出现 1次，以 bigram 为例，公式如下：

其中，V 是所有 bigram 的个数。

在V>>c(wi?1,wi)时，即训练语料库中绝大部分 n-gram 未出现的情况（一般都是如此），Add-one Smoothing后有些“喧宾夺主”的现象，效果不佳。

一种简单的改进方法是 add-δ smoothing (Lidstone, 1920; Jeffreys, 1948)。δ 是一个小于 1 的数。

• Good-Turing Smoothing

其基本思想是利用频率的类别信息对频率进行平滑。如下图所示：

 

其中，Nc表示出现次数为 c 的 n-gram 的个数。调整出现频率为 c 的 n-gram 折扣频率为 c?：

但是，对于较大的 c，可能出现Nc+1=0 或者 Nc>Nc+1的情况，反而使得模型质量变差，如下图所示：

直接的改进策略就是“对出现次数超过某个阈值的 gram 不进行平滑，阈值一般取8~10。

• Interpolation Smoothing

不管是 Add-one，还是 Good Turing 平滑技术，对于未出现的 n-gram 都一视同仁，难免存在不合理性（事件发生概率存在差别），所以这里再介绍一种线性插值平滑技术，其基本思想是将高阶模型和低阶模型作线性组合，利用低元 n-gram 模型对高元 n-gram 模型进行线性插值。因为在没有足够的数据对高元 n-gram 模型进行概率估计时，低元 n-gram 模型通常可以提供有用的信息。

• Katz Backoff

其基本思想是如果 n-gram 出现频率为 0，就回退到(n-1)-gram 近似求解。