自然语言处理基础
Content
文本预处理；语言模型；循环神经网络基础
机器翻译及相关技术；注意力机制与Seq2seq模型；Transformer
一、文本预处理
文本数据的常见预处理步骤，预处理通常包括四个步骤：
读入文本 分词 建立字典，将每个词映射到一个唯一的索引（index） 将文本从词的序列转换为索引的序列，方便输入模型 Code
#文本预处理具体操作
#1、读入文本
import collections
import re
def read_time_machine():
with open('/home/kesci/input/timemachine7163/timemachine.txt', 'r') as f:
lines = [re.sub('[^a-z]+', ' ', line.strip().lower()) for line in f]
return lines
lines = read_time_machine()
print('# sentences %d' % len(lines))
def tokenize(sentences, token = 'word'):
#将一段话每个单词分开
if token == 'word':
return [sentence.split(' ') for sentence in sentences]
elif token == 'char':
return [list(sentence) for sentence in sentences]
else:
print('ERROR: unkown token type ' + token)
#test
tokens = tokenize(lines)
tokens[0:2]
#2、分词：将一个句子划分成若干个词（token），转换为一个词的序列。
def tokenize(sentences, token = 'word'):
#将一段话每个单词分开
if token == 'word':
return [sentence.split(' ') for sentence in sentences]
elif token == 'char':
return [list(sentence) for sentence in sentences]
else:
print('ERROR: unkown token type ' + token)
#test
tokens = tokenize(lines)
tokens[0:2]
#3、建立字典：为了方便模型处理，我们需要将字符串转换为数字，所以需要先构建一个字典（vocabulary），将每个词映射到一个唯一的索引编号
class Vocab(object):
def __init__(self, tokens, min_freq = 0, use_special_tokens = False):
counter = count_corpus(tokens)
self.token_freqs = list(counter.items())
self.idx_to_token = []
if use_special_tokens:
## padding, begin of sentence, end of sentence, unknown
self.pad, self.bos, self.eos, self.unk = (0, 1, 2, 3)
self.idx_to_token += ['', '', '', '']
else:
self.unk = 0
self.idx_to_token += ['']
self.idx_to_token += [token for token, freq in self.token_freqs
if freq >= min_freq and token not in self.idx_to_token]
self.token_to_idx = dict()
for idx, token in enumerate(self.idx_to_token):
self.token_to_idx[token] = idx
def __len__(self):
return len(self.idx_to_token)
def __getitem__(self, tokens):
if not isinstance(tokens, (list, tuple)):
return self.token_to_idx.get(tokens, self.unk)
return [self.__getitem__(token) for token in tokens]
def to_tokens(self, indices):
if not isinstance(indices, (list, tuple)):
return self.idx_to_token[indices]
return [self.idx_to_token[index] for index in indices]
def count_corpus(sentences):
tokens = [tk for st in sentences for tk in st]
return collections.Counter(tokens) # 返回一个字典，记录每个词的出现次数
#test
vocab = Vocab(tokens)
print(list(vocab.token_to_idx.items())[0:10])
#4、将词转为索引,用现有工具进行分词
#使用字典，我们可以将原文本中的句子从单词序列转换为索引序列
for i in range(8, 10):
print('words:', tokens[i])
print('indices:', vocab[tokens[i]])
#用现有工具进行分词：spaCy和NLTK。
import spacy
nlp = spacy.load('en_core_web_sm')
doc = nlp(text)
print([token.text for token in doc])
from nltk.tokenize import word_tokenize
from nltk import data
data.path.append('/home/kesci/input/nltk_data3784/nltk_data')
print(word_tokenize(text))
二、语言模型
一段自然语言文本可以看作是一个离散时间序列，给定一个长度为T的词的序列w1,w2,…,wT，语言模型的目标就是评估该序列是否合理，即计算该序列的概率。
1、语言模型
假设序列w1,w2,…,wT中的每个词是依次生成的，我们有
语言模型的参数就是词的概率以及给定前几个词情况下的条件概率。设训练数据集为一个大型文本语料库，如维基百科的所有条目，词的概率可以通过该词在训练数据集中的相对词频来计算。
2、n元语法
序列长度增加，计算和存储多个词共同出现的概率的复杂度会呈指数级增加。n元语法通过马尔可夫假设简化模型，马尔科夫假设是指一个词的出现只与前面n个词相关，即n阶马尔可夫链（Markov chain of order n），如果n=1，那么有P(w3∣w1,w2)=P(w3∣w2)。基于n−1阶马尔可夫链，我们可以将语言模型改写为
以上也叫n元语法（n-grams），它是基于n−1阶马尔可夫链的概率语言模型。
问题：在一元语法中，由三个词组成的句子“你走先”和“你先走”的概率是一样的。然而，当n较大时，n元语法需要计算并存储大量的词频和多词相邻频率。
Code
#1、读取数据集
with open('/home/kesci/input/jaychou_lyrics4703/jaychou_lyrics.txt') as f:
corpus_chars = f.read()
print(len(corpus_chars))
print(corpus_chars[: 40])
corpus_chars = corpus_chars.replace('\n', ' ').replace('\r', ' ')
corpus_chars = corpus_chars[: 10000]
#2、建立字符索引
#建立字符索引
idx_to_char = list(set(corpus_chars)) #去重，得到索引到字符映射
char_to_idx = {char: i for i, char in enumerate(idx_to_char)} #字符到索引的映射
vocab_size = len(char_to_idx)
print(vocab_size)
corpus_incices = [char_to_idx[char] for char in corpus_chars] #将每个字符串转化为索引，得到一个索引序列
sample = corpus_incices[: 20]
print('chars:', ''.join([idx_to_char[idx] for idx in sample]))
print('indices:', sample)
def load_data_jay_lyrics():
with open('/home/kesci/input/jaychou_lyrics4703/jaychou_lyrics.txt') as f:
corpus_chars = f.read()
corpus_chars = corpus_chars.replace('\n', ' ').replace('\r', ' ')
corpus_chars = corpus_chars[0:10000]
idx_to_char = list(set(corpus_chars))
char_to_idx = dict([(char, i) for i, char in enumerate(idx_to_char)])
vocab_size = len(char_to_idx)
corpus_indices = [char_to_idx[char] for char in corpus_chars]
return corpus_indices, char_to_idx, idx_to_char, vocab_size
#时序数据的采样
'''
在训练中我们需要每次随机读取小批量样本和标签。与之前章节的实验数据不同的是，时序数据的一个样本通常包含连续的字符。假设时间步数为5，样本序列为5个字符，即“想”“要”“有”“直”“升”。该样本的标签序列为这些字符分别在训练集中的下一个字符，即“要”“有”“直”“升”“机”，即=“想要有直升”，=“要有直升机”。
'''
import torch
import random
def data_iter_random(corpus_indices, batch_size, num_steps, device=None):
# 减1是因为对于长度为n的序列，X最多只有包含其中的前n - 1个字符
num_examples = (len(corpus_indices) - 1) // num_steps # 下取整，得到不重叠情况下的样本个数
example_indices = [i * num_steps for i in range(num_examples)] # 每个样本的第一个字符在corpus_indices中的下标
random.shuffle(example_indices)
def _data(i):
# 返回从i开始的长为num_steps的序列
return corpus_indices[i: i + num_steps]
if device is None:
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
for i in range(0, num_examples, batch_size):
# 每次选出batch_size个随机样本
batch_indices = example_indices[i: i + batch_size] # 当前batch的各个样本的首字符的下标
X = [_data(j) for j in batch_indices]
Y = [_data(j + 1) for j in batch_indices]
yield torch.tensor(X, device=device), torch.tensor(Y, device=device)
#test
my_seq = list(range(30))
for X, Y in data_iter_random(my_seq, batch_size=2, num_steps=6):
print('X: ', X, '\nY:', Y, '\n')
#相邻采样
#在相邻采样中，相邻的两个随机小批量在原始序列上的位置相毗邻
def data_iter_consecutive(corpus_indices, batch_size, num_steps, device=None):
if device is None:
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
corpus_len = len(corpus_indices) // batch_size * batch_size # 保留下来的序列的长度
corpus_indices = corpus_indices[: corpus_len] # 仅保留前corpus_len个字符
indices = torch.tensor(corpus_indices, device=device)
indices = indices.view(batch_size, -1) # resize成(batch_size, )
batch_num = (indices.shape[1] - 1) // num_steps
for i in range(batch_num):
i = i * num_steps
X = indices[:, i: i + num_steps]
Y = indices[:, i + 1: i + num_steps + 1]
yield X, Y
三、循环神经网络
于当前的输入与过去的输入序列，预测序列的下一个字符。循环神经网络引入一个隐藏变量H，用Ht表示H在时间步t的值。Ht的计算基于Xt和Ht−1，可以认为Ht记录了到当前字符为止的序列信息，利用Ht对序列的下一个字符进行预测。
LSTM
四、机器翻译及相关技术
机器翻译（MT）：将一段文本从一种语言自动翻译为另一种语言，用神经网络解决这个问题通常称为神经机器翻译（NMT）。 主要特征：输出是单词序列而不是单个单词。 输出序列的长度可能与源序列的长度不同。
具体结构
我们使用 softmax函数 获得注意力权重：
最终的输出就是value的加权求和：
六、Transformer
利用attention机制实现了并行化捕捉序列依赖，并且同时处理序列的每个位置的tokens，上述优势使得Transformer模型在性能优异的同时大大减少了训练时间。
多头注意力
作者：ai_XZP_master
