语言模型雏形 - 词袋模型

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本文为对《GPT 图解 - 大模型是怎样构建的》一书的学习笔记，所有的例子和代码均来源于本书。

基本介绍

Bag-of-Words 模型为早期的语言模型，诞生于 1954 年。

核心思想：将文本中的词看作一个个独立的个体，不考虑在句子中的顺序，只关心词出现频次。

应用场景：文本分析、情感分析

代码实践

准备数据集

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corpus = ["我特别特别喜欢看电影",  
        "这部电影真的是很好看的电影",  
        "今天天气真好是难得的好天气",  
        "我今天去看了一部电影",  
        "电影院的电影都很好看"]

对数据集进行分词

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import jieba
corpus_tokenized = [list(jieba.cut(sentence)) for sentence in corpus]  
  
print(corpus_tokenized)

分词完成的结果如下：

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[['我', '特别', '特别', '喜欢', '看', '电影'], ['这部', '电影', '真的', '是', '很', '好看', '的', '电影'], ['今天天气', '真好', '是', '难得', '的', '好', '天气'], ['我', '今天', '去', '看', '了', '一部', '电影'], ['电影院', '的', '电影', '都', '很', '好看']]

创建词汇表

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word_dict = {} # 初始化词汇表  
# 遍历分词后的语料库  
for sentence in corpus_tokenized:  
    for word in sentence:  
        # 如果词汇表中没有该词，则将其添加到词汇表中  
        if word not in word_dict:  
            word_dict[word] = len(word_dict) # 分配当前词汇表索引  
print(" 词汇表：", word_dict) # 打印词汇表

获取到如下结果，其中 key 为对应的词，value 为词出现的频率。

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词汇表： {'我': 0, '特别': 1, '喜欢': 2, '看': 3, '电影': 4, '这部': 5, '真的': 6, '是': 7, '很': 8, '好看': 9, '的': 10, '今天天气': 11, '真好': 12, '难得': 13, '好': 14, '天气': 15, '今天': 16, '去': 17, '了': 18, '一部': 19, '电影院': 20, '都': 21}

生成词袋表示

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# 根据词汇表将句子转换为词袋表示  
bow_vectors = [] # 初始化词袋表示  
# 遍历分词后的语料库  
for sentence in corpus_tokenized:  
    # 初始化一个全 0 向量，其长度等于词汇表大小  
    sentence_vector = [0] * len(word_dict)  
    for word in sentence:  
        # 将对应词的索引位置加 1，表示该词在当前句子中出现了一次  
        sentence_vector[word_dict[word]] += 1  
    # 将当前句子的词袋向量添加到向量列表中  
    bow_vectors.append(sentence_vector)  
print(" 词袋表示：", bow_vectors) # 打印词袋表示

输出如下结果：

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[
  [1, 2, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0], 
  [0, 0, 0, 0, 2, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0], 
  [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0], 
  [1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0], 
  [0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1]
]

输出结果需要稍微理解一下

  • 数组中的每一行表示语料中的一句话
  • 每个元素表示该词在当前句子中出现的次数。例如第一行的第二个元素 2 为“特别”，说明“特别”在第一句话“我特别特别喜欢看电影”总一共出现了两次。
  • 每一行一共有 22 个元素，说明所有的语料一共有 22 个词。

可以看到整个的输出结果为一个稀疏矩阵，尤其是当词汇量变大后，矩阵会更加稀疏。

计算余弦相似度

该步骤需要有一点数学基础。

余弦相似度：用来衡量两个向量的相似程度。值在 -1 到 1 之间，值越接近 1，两个向量越相似。越接近 -1，表示两个向量越不相似。值为 0 时，表示没有明显的相似性。

公式如下：

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(A * B) / (||A|| * ||B||)

(A * B) 为向量的点积，||A|| 和 ||B|| 表示向量的长度。

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# 导入 numpy 库，用于计算余弦相似度  
import numpy as np   
# 定义余弦相似度函数  
def cosine_similarity(vec1, vec2):  
    dot_product = np.dot(vec1, vec2) # 计算向量 vec1 和 vec2 的点积  
    norm_a = np.linalg.norm(vec1) # 计算向量 vec1 的范数  
    norm_b = np.linalg.norm(vec2) # 计算向量 vec2 的范数    
return dot_product / (norm_a * norm_b) # 返回余弦相似度  
# 初始化一个全 0 矩阵，用于存储余弦相似度  
similarity_matrix = np.zeros((len(corpus), len(corpus)))  
# 计算每两个句子之间的余弦相似度  
for i in range(len(corpus)):  
    for j in range(len(corpus)):  
        similarity_matrix[i][j] = cosine_similarity(bow_vectors[i],   
                                                    bow_vectors[j])

可视化余弦相似度

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# 导入 matplotlib 库，用于可视化余弦相似度矩阵  
import matplotlib.pyplot as plt  
plt.rcParams["font.family"]=['SimHei'] # 用来设定字体样式  
plt.rcParams['font.sans-serif']=['SimHei'] # 用来设定无衬线字体样式  
plt.rcParams['axes.unicode_minus']=False # 用来正常显示负号  
fig, ax = plt.subplots() # 创建一个绘图对象  
# 使用 matshow 函数绘制余弦相似度矩阵，颜色使用蓝色调  
cax = ax.matshow(similarity_matrix, cmap=plt.cm.Blues)  
fig.colorbar(cax) # 条形图颜色映射  
ax.set_xticks(range(len(corpus))) # x 轴刻度  
ax.set_yticks(range(len(corpus))) # y 轴刻度  
ax.set_xticklabels(corpus, rotation=45, ha='left') # 刻度标签 ax.set_yticklabels(corpus) # 刻度标签为原始句子  
plt.show() # 显示图形

最终获取到如下的结果：
image.png
每个单元格表示两个句子之间的相似度。

总结

缺点：

  1. 采用了稀疏矩阵，每个单词是一个维度，计算效率较低。
  2. 忽略了文本的上下文信息。