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66

77
# 1. 分词的基本原理
88

9-
    现代分词都是基于统计的分词,而统计的样本内容来自于一些标准的语料库。假如有一个句子:“小明来到荔湾区”,我们期望语料库统计后分词的结果是:"小明/来到/荔湾/区",而不是“小明/来到/荔/湾区”。那么如何做到这一点呢?
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现代分词都是基于统计的分词,而统计的样本内容来自于一些标准的语料库。假如有一个句子:“小明来到荔湾区”,我们期望语料库统计后分词的结果是:"小明/来到/荔湾/区",而不是“小明/来到/荔/湾区”。那么如何做到这一点呢?
1010

11-
    从统计的角度,我们期望"小明/来到/荔湾/区"这个分词后句子出现的概率要比“小明/来到/荔/湾区”大。如果用数学的语言来说说,如果有一个句子S,它有m种分词选项如下:$$A_{11}A_{12}...A_{1n_1}A_{21}A_{22}...A_{2n_2}...... ......A_{m1}A_{m2}...A_{mn_m}$$
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从统计的角度,我们期望"小明/来到/荔湾/区"这个分词后句子出现的概率要比“小明/来到/荔/湾区”大。如果用数学的语言来说说,如果有一个句子S,它有m种分词选项如下:$$A_{11}A_{12}...A_{1n_1}A_{21}A_{22}...A_{2n_2}...... ......A_{m1}A_{m2}...A_{mn_m}$$
1212

13-
    其中下标$$n_i$$代表第i种分词的词个数。如果我们从中选择了最优的第r种分词方法,那么这种分词方法对应的统计分布概率应该最大,即:$$r = arg\;max(i)\;\;P(A_{i1},A_{i2},...,A_{in_i})$$
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其中下标$$n_i$$代表第i种分词的词个数。如果我们从中选择了最优的第r种分词方法,那么这种分词方法对应的统计分布概率应该最大,即:$$r = arg\;max(i)\;\;P(A_{i1},A_{i2},...,A_{in_i})$$
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15-
    但是我们的概率分布$$P(A_{i1},A_{i2},...,A_{in_i})$$并不好求出来,因为它涉及到$$n_i$$个分词的联合分布。在NLP中,为了简化计算,我们通常使用马尔科夫假设,即每一个分词出现的概率仅仅和前一个分词有关,即:$$P(A_{ij}|A_{i1},A_{i2},...,A_{i(j-1)}) = P(A_{ij}|A_{i(j-1)})$$
15+
但是我们的概率分布$$P(A_{i1},A_{i2},...,A_{in_i})$$并不好求出来,因为它涉及到$$n_i$$个分词的联合分布。在NLP中,为了简化计算,我们通常使用马尔科夫假设,即每一个分词出现的概率仅仅和前一个分词有关,即:$$P(A_{ij}|A_{i1},A_{i2},...,A_{i(j-1)}) = P(A_{ij}|A_{i(j-1)})$$
1616

17-
    在前面我们讲MCMC采样时,也用到了相同的假设来简化模型复杂度。使用了马尔科夫假设,则我们的联合分布就好求了,即:$$P(A_{i1},A_{i2},...,A_{in_i}) = P(A_{i1})P(A_{i2}|A_{i1})P(A_{i3}|A_{i2})...P(A_{in_i}|A_{i(n_i-1)})$$
17+
在前面我们讲MCMC采样时,也用到了相同的假设来简化模型复杂度。使用了马尔科夫假设,则我们的联合分布就好求了,即:$$P(A_{i1},A_{i2},...,A_{in_i}) = P(A_{i1})P(A_{i2}|A_{i1})P(A_{i3}|A_{i2})...P(A_{in_i}|A_{i(n_i-1)})$$
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19-
    而通过我们的标准语料库,我们可以近似的计算出所有的分词之间的二元条件概率,比如任意两个词$$w_1,w_2$$,它们的条件概率分布可以近似的表示为:
19+
而通过我们的标准语料库,我们可以近似的计算出所有的分词之间的二元条件概率,比如任意两个词$$w_1,w_2$$,它们的条件概率分布可以近似的表示为:
2020

2121
$$P(w_2|w_1) = \frac{P(w_1,w_2)}{P(w_1)} \approx \frac{freq(w_1,w_2)}{freq(w_1)}$$
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2323
$$P(w_1|w_2) = \frac{P(w_2,w_1)}{P(w_2)} \approx \frac{freq(w_1,w_2)}{freq(w_2)}$$
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25-
    其中$$freq(w_1,w_2)$$表示$$w_1,w_2$$在语料库中相邻一起出现的次数,而其中$$freq(w_1),freq(w_2)$$分别表示$$w_1,w_2$$在语料库中出现的统计次数。
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其中$$freq(w_1,w_2)$$表示$$w_1,w_2$$在语料库中相邻一起出现的次数,而其中$$freq(w_1),freq(w_2)$$分别表示$$w_1,w_2$$在语料库中出现的统计次数。
2626

27-
    利用语料库建立的统计概率,对于一个新的句子,我们就可以通过计算各种分词方法对应的联合分布概率,找到最大概率对应的分词方法,即为最优分词。
27+
利用语料库建立的统计概率,对于一个新的句子,我们就可以通过计算各种分词方法对应的联合分布概率,找到最大概率对应的分词方法,即为最优分词。
2828

2929
# 2. N元模型
3030

31-
    当然,你会说,只依赖于前一个词太武断了,我们能不能依赖于前两个词呢?即:$$P(A_{i1},A_{i2},...,A_{in_i}) = P(A_{i1})P(A_{i2}|A_{i1})P(A_{i3}|A_{i1},A_{i2})...P(A_{in_i}|A_{i(n_i-2)},A_{i(n_i-1)})$$
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当然,你会说,只依赖于前一个词太武断了,我们能不能依赖于前两个词呢?即:$$P(A_{i1},A_{i2},...,A_{in_i}) = P(A_{i1})P(A_{i2}|A_{i1})P(A_{i3}|A_{i1},A_{i2})...P(A_{in_i}|A_{i(n_i-2)},A_{i(n_i-1)})$$
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33-
    这样也是可以的,只不过这样联合分布的计算量就大大增加了。我们一般称只依赖于前一个词的模型为二元模型\(Bi-Gram model\),而依赖于前两个词的模型为三元模型。以此类推,我们可以建立四元模型,五元模型,...一直到通用的N元模型。越往后,概率分布的计算复杂度越高。当然算法的原理是类似的。
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这样也是可以的,只不过这样联合分布的计算量就大大增加了。我们一般称只依赖于前一个词的模型为二元模型\(Bi-Gram model\),而依赖于前两个词的模型为三元模型。以此类推,我们可以建立四元模型,五元模型,...一直到通用的N元模型。越往后,概率分布的计算复杂度越高。当然算法的原理是类似的。
3434

35-
    在实际应用中,N一般都较小,一般都小于4,主要原因是N元模型概率分布的空间复杂度为$$O(|V|^N)$$,其中\|V\|为语料库大小,而N为模型的元数,当N增大时,复杂度呈指数级的增长。
35+
在实际应用中,N一般都较小,一般都小于4,主要原因是N元模型概率分布的空间复杂度为$$O(|V|^N)$$,其中\|V\|为语料库大小,而N为模型的元数,当N增大时,复杂度呈指数级的增长。
3636

3737
N元模型的分词方法虽然很好,但是要在实际中应用也有很多问题,首先,某些生僻词,或者相邻分词联合分布在语料库中没有,概率为0。这种情况我们一般会使用拉普拉斯平滑,即给它一个较小的概率值,这个方法在[朴素贝叶斯算法原理小结](/ml/bayes/po-su-bei-xie-si.md)也有讲到。第二个问题是如果句子长,分词有很多情况,计算量也非常大,这时我们可以用下一节维特比算法来优化算法时间复杂度。
3838

3939
# 3. 维特比算法与分词
4040

41-
    为了简化原理描述,我们本节的讨论都是以二元模型为基础。
41+
为了简化原理描述,我们本节的讨论都是以二元模型为基础。
4242

43-
    对于一个有很多分词可能的长句子,我们当然可以用暴力方法去计算出所有的分词可能的概率,再找出最优分词方法。但是用维特比算法可以大大简化求出最优分词的时间。
43+
对于一个有很多分词可能的长句子,我们当然可以用暴力方法去计算出所有的分词可能的概率,再找出最优分词方法。但是用维特比算法可以大大简化求出最优分词的时间。
4444

45-
    大家一般知道维特比算法是用于隐式马尔科夫模型HMM解码算法的,但是它是一个通用的求序列最短路径的方法,不光可以用于HMM,也可以用于其他的序列最短路径算法,比如最优分词。
45+
大家一般知道维特比算法是用于隐式马尔科夫模型HMM解码算法的,但是它是一个通用的求序列最短路径的方法,不光可以用于HMM,也可以用于其他的序列最短路径算法,比如最优分词。
4646

47-
    维特比算法采用的是动态规划来解决这个最优分词问题的,动态规划要求局部路径也是最优路径的一部分,很显然我们的问题是成立的。首先我们看一个简单的分词例子:"人生如梦境"。它的可能分词可以用下面的概率图表示:
47+
维特比算法采用的是动态规划来解决这个最优分词问题的,动态规划要求局部路径也是最优路径的一部分,很显然我们的问题是成立的。首先我们看一个简单的分词例子:"人生如梦境"。它的可能分词可以用下面的概率图表示:
4848

4949
![](http://images2015.cnblogs.com/blog/1042406/201704/1042406-20170407134342035-1966704661.png)
5050

51-
    图中的箭头为通过统计语料库而得到的对应的各分词条件概率。比如P(生|人)=0.17。有了这个图,维特比算法需要找到从Start到End之间的一条最短路径。对于在End之前的任意一个当前局部节点,我们需要得到到达该节点的最大概率$$\delta$$,和记录到达当前节点满足最大概率的前一节点位置$$\Psi$$
51+
图中的箭头为通过统计语料库而得到的对应的各分词条件概率。比如P\(\|\)=0.17。有了这个图,维特比算法需要找到从Start到End之间的一条最短路径。对于在End之前的任意一个当前局部节点,我们需要得到到达该节点的最大概率$$\delta$$,和记录到达当前节点满足最大概率的前一节点位置$$\Psi$$
5252

53-
    我们先用这个例子来观察维特比算法的过程。首先我们初始化有:$$\delta$$(人) = 0.26$$\;\;\Psi$$(人)$$=Start$$\;\;\delta$$(人生)$$ = 0.44\;\;$$\Psi$$(人生)$$=Start$$
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我们先用这个例子来观察维特比算法的过程。首先我们初始化有:$$\delta$$\(\) = 0.26$$\;\;\Psi$$\(\)$$=Start$$\;\;\delta$$(人生)$$ = 0.44\;\;$$\Psi$$\(人生\)$$=Start$$
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55-
    对于节点"生",它只有一个前向节点,因此有:$$\delta$$(生) $$= \delta$$(人)$$P$$(生|人)$$ = 0.0442 \;\; \Psi$$(生)$$=$$
55+
对于节点"生",它只有一个前向节点,因此有:$$\delta$$\(\) $$= \delta$$\(\)$$P$$\(\|\)$$ = 0.0442 \;\; \Psi$$\(\)$$=$$
5656

57-
     对于节点"如",就稍微复杂一点了,因为它有多个前向节点,我们要计算出到“如”概率最大的路径:$$\delta$$(如)$$ = max\{\delta$$(生)$$P$$(如|生)$$$$\delta$$(人生)$$P$$(如|人生)$$} = max\{0.01680, 0.3168\} = 0.3168 \;\; \Psi$$(如)$$ = $$人生
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对于节点"如",就稍微复杂一点了,因为它有多个前向节点,我们要计算出到“如”概率最大的路径:$$\delta$$\(\)$$ = max\{\delta$$\(\)$$P$$\(\|\)$$$$\delta$$(人生)$$P$$(如|人生)$$} = max{0.01680, 0.3168} = 0.3168 \;\; \Psi$$(如)$$ = $$人生
5858

59-
    类似的方法可以用于其他节点如下:
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类似的方法可以用于其他节点如下:
6060

61-
$$\delta$$(如梦) $$= \delta$$(人生)$$P$$(如梦|人生)$$ = 0.242 \;\; \Psi$$(如梦)$$=人生
61+
$$\delta$$\(如梦\) $$= \delta$$\(人生\)$$P$$\(如梦\|人生\)$$ = 0.242 \;\; \Psi$$\(如梦\)$$=人生
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63-
$$\delta$$(梦) $$= \delta$$(如)$$P$$(梦|如)$$ = 0.1996 \;\; \Psi$$(梦)$$=如
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$$\delta$$\(\) $$= \delta$$\(\)$$P$$\(\|\)$$ = 0.1996 \;\; \Psi$$\(\)$$=如
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65-
$$\delta$$(境)$$ = max\{\delta$$(梦)$$P$$(境|梦)$$ ,\delta$$(如梦)$$P$$(境|如梦)$$}= max\{0.0359, 0.0315\} = 0.0359 \;\; \Psi$$(境)=梦
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$$\delta$$\(\)$$ = max\{\delta$$\(\)$$P$$\(\|\)$$ ,\delta$$\(如梦\)$$P$$\(\|如梦\)}$$= max\{0.0359, 0.0315\} = 0.0359 \;\; \Psi$$\(\)=梦
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67-
$$\delta$$(梦境)$$ = \delta$$(梦境)$$P$$(梦境|如)$$ = 0.1585 \;\; \Psi$$(梦境)=如
67+
$$\delta$$\(梦境\)$$ = \delta$$\(梦境\)$$P$$\(梦境\|\)$$ = 0.1585 \;\; \Psi$$\(梦境\)=如
6868

69-
    最后我们看看最终节点End:
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最后我们看看最终节点End:
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71-
$$\delta(End) = max\{\delta$$(梦境)$$P$$(End|梦境), $$\delta$$(境)$$P$$(End|境)$$} = max\{0.0396, 0.0047\} = 0.0396\;\;\Psi$$(End)=梦境
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$$\delta(End) = max\{\delta$$\(梦境\)$$P$$\(End\|梦境\), $$\delta$$\(\)$$P$$\(End\|\)}$$ = max\{0.0396, 0.0047\} = 0.0396\;\;\Psi$$\(End\)=梦境
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73-
    由于最后的最优解为“梦境”,现在我们开始用$$\Psi$$反推:
73+
由于最后的最优解为“梦境”,现在我们开始用$$\Psi$$反推:
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75-
$$\Psi(End)=$$梦境 $$\to \Psi$$(梦境)=如 $$\to \Psi$$(如)=人生 $$\to \Psi$$(人生)=start
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$$\Psi(End)=$$梦境 $$\to \Psi$$\(梦境\)=如 $$\to \Psi$$\(\)=人生 $$\to \Psi$$\(人生\)=start
7676

77-
    从而最终的分词结果为"人生/如/梦境"。是不是很简单呢。
77+
从而最终的分词结果为"人生/如/梦境"。是不是很简单呢。
7878

79-
    由于维特比算法我会在后面讲隐式马尔科夫模型HMM解码算法时详细解释,这里就不归纳了。
79+
由于维特比算法我会在后面讲隐式马尔科夫模型HMM解码算法时详细解释,这里就不归纳了。
8080

8181
# 4. 常用分词工具
8282

83-
    对于文本挖掘中需要的分词功能,一般我们会用现有的工具。简单的英文分词不需要任何工具,通过空格和标点符号就可以分词了,而进一步的英文分词推荐使用[nltk](http://www.nltk.org/)。对于中文分词,则推荐用[结巴分词](https://github.com/fxsjy/jieba/)(jieba)。这些工具使用都很简单。你的分词没有特别的需求直接使用这些分词工具就可以了。
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对于文本挖掘中需要的分词功能,一般我们会用现有的工具。简单的英文分词不需要任何工具,通过空格和标点符号就可以分词了,而进一步的英文分词推荐使用[nltk](http://www.nltk.org/)。对于中文分词,则推荐用[结巴分词](https://github.com/fxsjy/jieba/)(jieba)。这些工具使用都很简单。你的分词没有特别的需求直接使用这些分词工具就可以了。
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8585
# 5. 结语
8686

87-
    分词是文本挖掘的预处理的重要的一步,分词完成后,我们可以继续做一些其他的特征工程,比如向量化(vectorize),TF-IDF以及Hash trick,这些我们后面再讲。
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分词是文本挖掘的预处理的重要的一步,分词完成后,我们可以继续做一些其他的特征工程,比如向量化(vectorize),TF-IDF以及Hash trick,这些我们后面再讲。
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