NLP 基础及原理

喜欢ヅ旅行 2024-04-18 10:26 45阅读 0赞

以NLTK为基础配合讲解自然语言处理的原理

[http://www.nltk.org/][http_www.nltk.org]  
Python上著名的自然语⾔处理库  
自带语料库，词性分类库  
自带分类，分词，等功能  
强⼤的社区⽀持  
还有N多的简单版wrapper，如 TextBlob

#### **NLTK安装** ####

# Mac/Unix
    sudo pip install -U nltk
    # 顺便便还可以装个Numpy
    sudo pip install -U numpy
    # 测试是否安装成功
    >>> python
    >>> import nltk

#### **安装语料库** ####

import nltk
    nltk.download()

速度慢，可以在网页[https://raw.githubusercontent.com/nltk/nltk\_data/gh-pages/index.xml][https_raw.githubusercontent.com_nltk_nltk_data_gh-pages_index.xml]里找链接，用迅雷下载

#### **功能⼀览表** ####

![这里写图片描述][20171225202014939]

#### **NLTK⾃带语料库** ####

>>> from nltk.corpus import brown
    >>> brown.categories()  # 分类
    ['adventure', 'belles_lettres', 'editorial',
    'fiction', 'government', 'hobbies', 'humor',
    'learned', 'lore', 'mystery', 'news', 'religion',
    'reviews', 'romance', 'science_fiction']
    >>> len(brown.sents()) # 一共句子数
    57340
    >>> len(brown.words()) # 一共单词数
    1161192

#### **文本处理流程** ####

文本 -> 预处理（分词、去停用词） -> 特征工程 -> 机器学习算法 -> 标签

#### **分词（Tokenize）** ####

把长句⼦拆成有“意义”的⼩部件

>>> import nltk
    >>> sentence = “hello, world" >>> tokens = nltk.word_tokenize(sentence) >>> tokens ['hello', ‘,', 'world']

中英文NLP区别：  
英文直接使用空格分词，中文需要专门的方法进行分词：  
![这里写图片描述][20171126221552105]

**中文分词：**

import jieba
    seg_list = jieba.cut('我来到北京清华大学', cut_all=True)
    print('Full Mode:', '/'.join(seg_list))  # 全模式
    seg_list = jieba.cut('我来到北京清华大学', cut_all=False)
    print('Default Mode:', '/'.join(seg_list))  # 精确模式
    seg_list = jieba.cut('他来到了网易杭研大厦')  # 默认是精确模式
    print('/'.join(seg_list))
    seg_list = jieba.cut_for_search('小明硕士毕业于中国科学院计算所，后在日本京都大学深造')  # 搜索引擎模式
    print('搜索引擎模式:', '/'.join(seg_list))
    seg_list = jieba.cut('小明硕士毕业于中国科学院计算所，后在日本京都大学深造', cut_all=True)
    print('Full Mode:', '/'.join(seg_list))

> Full Mode: 我/来到/北京/清华/清华大学/华大/大学  
> Default Mode: 我/来到/北京/清华大学  
> 他/来到/了/网易/杭研/大厦 (jieba有新词发现功能，“杭研”没有在词典中，但是也被Viterbi算法识别出来了)  
> 搜索引擎模式: 小明/硕士/毕业/于/中国/科学/学院/科学院/中国科学院/计算/计算所/，/后/在/日本/京都/大学/日本京都大学/深造  
> Full Mode: 小/明/硕士/毕业/于/中国/中国科学院/科学/科学院/学院/计算/计算所///后/在/日本/日本京都大学/京都/京都大学/大学/深造

其他中文分词工具：CoreNLP ：java编写，有命名实体识别、词性标注、词语词干化、语句语法树的构造还有指代关系等功能

对于 社交网络上的文本，有很多不合语法不合正常逻辑的语言表达：  
@某人，表情符号，URL，\#话题符号（hashtag）等

如：Twitter上的语句推文  
RT @angelababy: love you baby! :D [http://ah.love][http_ah.love] \#168cm

如果直接分词：

from nltk.tokenize import word_tokenize
    
    tweet='RT @angelababy: love you baby! :D http://ah.love #168cm'
    print(word_tokenize(tweet))

> \[‘RT’, ‘@’, ‘angelababy’, ‘:’, ‘love’, ‘you’, ‘baby’, ‘!’, ‘:’, ‘D’, ‘http’, ‘:’, ‘//ah.love’, ‘\#’, ‘168cm’\]

需要借助正则表达式，将表情符，网址，话题，@某人等作为一个整体，  
对照表：[http://www.regexlab.com/zh/regref.htm][http_www.regexlab.com_zh_regref.htm]

import re
    
    emoticons_str = r""" (?: [:=;] # 表示眼睛的字符 [oO\-]? # 表示鼻子的字符 [D\)\]$\]/\\OpP] # 表示嘴的字符 )"""
    
    regex_str = [
        emoticons_str,
        r'<[^>]+>',  # HTML tags
        r'(?:@[\w_]+)',  # @某人
        r"(?:\#+[\w_]+[\w\'_\-]*[\w]+)",  # 话题标签
        r'http[s]?://(?:[a-z]|[0-9]|[$-_@.&+]|[!*\($,]|(?:%[0-9a-f][0-9a-f]))+',  # URLs
        r'(?:(?:\d+,?)+(?:\.?\d+)?)',  # 数字
        r"(?:[a-z][a-z'\-_]+[a-z])",  # 含有- 和’ 的单词
        r'(?:[\w_]+)',  # 其他
        r'(?:\S)'  # 其他
    ]
    
    tokens_re = re.compile(r'(' + '|'.join(regex_str) + ')', re.VERBOSE | re.IGNORECASE)
    emoticon_re=re.compile(r'^'+emoticons_str+'$',re.VERBOSE|re.IGNORECASE)
    
    def tokenize(s):
        return tokens_re.findall(s)
    
    def preprocess(s,lowercase=False):
        tokens=tokenize(s)
        if lowercase:
            tokens=[token if emoticon_re.search(token) else token.lower() for token in tokens]
        return tokens
    
    tweet='RT @angelababy: love you baby! :D http://ah.love #168cm'
    print(preprocess(tweet))

> \[‘RT’, ‘@angelababy’, ‘:’, ‘love’, ‘you’, ‘baby’, ‘!’, ‘:D’, ‘[http://ah.love][http_ah.love]‘, ‘\#168cm’\]

#### **纷繁复杂的词形** ####

*  Inflection 变化：walk=>walking=>walked 不影响词性
 *  derivation 引申：nation（noun）=>national(adjective)=>nationalize(verb) 影响词性

**词形归一化**

*  Stemming 词干提取(词根还原)：把不影响词性的inflection 的小尾巴砍掉 （使用词典，匹配最长词）  
    
    
     *  walking 砍掉ing=>walk
     *  walked 砍掉ed=>walk
 *  Lemmatization 词形归一(词形还原)：把各种类型的词的变形，都归一为一个形式（使用wordnet）  
    
    
     *  went 归一 => go
     *  are 归一 => be

NLTK实现Stemming

from nltk.stem.lancaster import LancasterStemmer
    lancaster_stemmer=LancasterStemmer()
    print(lancaster_stemmer.stem('maximum'))
    print(lancaster_stemmer.stem('multiply'))
    print(lancaster_stemmer.stem('provision'))
    print(lancaster_stemmer.stem('went'))
    print(lancaster_stemmer.stem('wenting'))
    print(lancaster_stemmer.stem('walked'))
    print(lancaster_stemmer.stem('national'))

> maxim  
> multiply  
> provid  
> went  
> went  
> walk  
> nat

from nltk.stem.porter import PorterStemmer
    porter_stemmer=PorterStemmer()
    print(porter_stemmer.stem('maximum'))
    print(porter_stemmer.stem('multiply'))
    print(porter_stemmer.stem('provision'))
    print(porter_stemmer.stem('went'))
    print(porter_stemmer.stem('wenting'))
    print(porter_stemmer.stem('walked'))
    print(porter_stemmer.stem('national'))

> maximum  
> multipli  
> provis  
> went  
> went  
> walk  
> nation

from nltk.stem import SnowballStemmer
    snowball_stemmer=SnowballStemmer("english")
    print(snowball_stemmer.stem('maximum'))
    print(snowball_stemmer.stem('multiply'))
    print(snowball_stemmer.stem('provision'))
    print(snowball_stemmer.stem('went'))
    print(snowball_stemmer.stem('wenting'))
    print(snowball_stemmer.stem('walked'))
    print(snowball_stemmer.stem('national'))

> maximum  
> multipli  
> provis  
> went  
> went  
> walk  
> nation

NLTK实现 Lemmatization

from nltk.stem import WordNetLemmatizer
    wordnet_lemmatizer=WordNetLemmatizer()
    print(wordnet_lemmatizer.lemmatize('dogs'))
    print(wordnet_lemmatizer.lemmatize('churches'))
    print(wordnet_lemmatizer.lemmatize('aardwolves'))
    print(wordnet_lemmatizer.lemmatize('abaci'))
    print(wordnet_lemmatizer.lemmatize('hardrock'))

> dog  
> church  
> aardwolf  
> abacus  
> hardrock

问题：Went v.是go的过去式 n.英文名：温特  
所以增加词性信息，可使NLTK更好的 Lemmatization

from nltk.stem import WordNetLemmatizer
    wordnet_lemmatizer = WordNetLemmatizer()
    # 没有POS Tag,默认是NN 名词
    print(wordnet_lemmatizer.lemmatize('are'))
    print(wordnet_lemmatizer.lemmatize('is'))
    # 加上POS Tag
    print(wordnet_lemmatizer.lemmatize('is', pos='v'))
    print(wordnet_lemmatizer.lemmatize('are', pos='v'))

> are  
> is  
> be  
> be

**NLTK标注POS Tag**

import nltk
    text=nltk.word_tokenize('what does the beautiful fox say')
    print(text)
    print(nltk.pos_tag(text))

> \[‘what’, ‘does’, ‘the’, ‘beautiful’, ‘fox’, ‘say’\]  
> \[(‘what’, ‘WDT’), (‘does’, ‘VBZ’), (‘the’, ‘DT’), (‘beautiful’, ‘JJ’), (‘fox’, ‘NNS’), (‘say’, ‘VBP’)\]

词性符号对照表

> 1.  CC Coordinating conjunction
> 2.  CD Cardinal number
> 3.  DT Determiner
> 4.  EX Existential there
> 5.  FW Foreign word
> 6.  IN Preposition or subordinating conjunction
> 7.  JJ Adjective
> 8.  JJR Adjective, comparative
> 9.  JJS Adjective, superlative
> 10. LS List item marker
> 11. MD Modal
> 12. NN Noun, singular or mass
> 13. NNS Noun, plural
> 14. NNP Proper noun, singular
> 15. NNPS Proper noun, plural
> 16. PDT Predeterminer
> 17. POS Possessive ending
> 18. PRP Personal pronoun
> 19. PRP$ Possessive pronoun
> 20. RB Adverb
> 21. RBR Adverb, comparative
> 22. RBS Adverb, superlative
> 23. RP Particle
> 24. SYM Symbol
> 25. TO to
> 26. UH Interjection
> 27. VB Verb, base form
> 28. VBD Verb, past tense
> 29. VBG Verb, gerund or present participle
> 30. VBN Verb, past participle
> 31. VBP Verb, non-3rd person singular present
> 32. VBZ Verb, 3rd person singular present
> 33. WDT Wh-determiner
> 34. WP Wh-pronoun
> 35. WP$ Possessive wh-pronoun
> 36. WRB Wh-adverb

#### **Stopwords** ####

一千个 He 有一千种指代，一千个 The 有一千种指示  
对于注重理解文本【意思】的应用场景来说歧义太多

英文停止词列表：[https://www.ranks.nl/stopwords][https_www.ranks.nl_stopwords]  
NLTK有停用词列表

import nltk
    from nltk.corpus import stopwords
    word_list=nltk.word_tokenize('what does the beautiful fox say')
    print(word_list )
    filter_words=[word for word in word_list if word not in stopwords.words('english')]
    print(filter_words)

> \[‘what’, ‘does’, ‘the’, ‘beautiful’, ‘fox’, ‘say’\]  
> \[‘beautiful’, ‘fox’, ‘say’\]

⼀条typical的⽂本预处理流⽔线  
![这里写图片描述][SouthEast]

根据具体task 决定，如果是文本查重、写作风格判断等，可能就不需要去除停止词

#### **什么是自然语言处理？** ####

自然语言——> 计算机数据

**文本预处理让我们得到了什么？**

![这里写图片描述][SouthEast 1]

**NLTK在NLP上的经典应⽤**

*  情感分析
 *  文本相似度
 *  文本分类

#### **应用：情感分析** ####

最简单的方法：基于情感词典（sentiment dictionary）  
类似于关键词打分机制

like 1  
good 2  
bad -2  
terrible -3

比如：AFINN-111  
[http://www2.imm.dtu.dk/pubdb/views/publication\_details.php?id=6010][http_www2.imm.dtu.dk_pubdb_views_publication_details.php_id_6010]

import nltk
    from nltk.corpus import stopwords
    from nltk.stem import SnowballStemmer
    
    snowball_stemmer = SnowballStemmer("english")
    
    sentiment_dictionary = {}
    for line in open('AFINN-111.txt'):
        word, score = line.split('\t')
        sentiment_dictionary[word] = int(score)
    
    text = 'I went to Chicago yesterday, what a fucking day!'
    word_list = nltk.word_tokenize(text)  # 分词
    words = [(snowball_stemmer.stem(word)) for word in word_list]  # 词干提取,词形还原最好有词性，此处先不进行
    words = [word for word in word_list if word not in stopwords.words('english')]  # 去除停用词
    print('预处理之后的词：', words)
    total_score = sum(sentiment_dictionary.get(word, 0) for word in words)
    print('该句子的情感得分：', total_score)
    if total_score > 0:
        print('积极')
    elif total_score == 0:
        print('中性')
    else:
        print('消极')

> 预处理之后的词： \[‘I’, ‘went’, ‘Chicago’, ‘yesterday’, ‘,’, ‘fucking’, ‘day’, ‘!’\]  
> 该句子的情感得分： -4  
> 消极

缺点：新词无法处理、依赖人工主观性、无法挖掘句子深层含义

配上ML的情感分析

from nltk.classify import NaiveBayesClassifier
    
    # 随手造点训练集
    s1 = 'this is a good book'
    s2 = 'this is a awesome book'
    s3 = 'this is a bad book'
    s4 = 'this is a terrible book'
    
    def preprocess(s):
        dic = ['this', 'is', 'a', 'good', 'book', 'awesome', 'bad', 'terrible']
        return {word: True if word in s else False for word in dic} # 返回句子的词袋向量表示
    
    # 把训练集给做成标准形式
    training_data = [[preprocess(s1), 'pos'],
                     [preprocess(s2), 'pos'],
                     [preprocess(s3), 'neg'],
                     [preprocess(s4), 'neg']]
    
    # 喂给model吃
    model = NaiveBayesClassifier.train(training_data)
    # 打出结果
    print(model.classify(preprocess('this is a terrible book')))

> neg

#### **文本相似度** ####

使用 Bag of Words 元素的频率表示文本特征

使用 余弦定理 判断向量相似度  
![这里写图片描述][SouthEast 2]

import nltk
    from nltk import FreqDist
    
    corpus = 'this is my sentence ' \
             'this is my life ' \
             'this is the day'
    
    # 根据需要做预处理：tokensize,stemming,lemma,stopwords 等
    tokens = nltk.word_tokenize(corpus)
    print(tokens)
    
    # 用NLTK的FreqDist统计一下文字出现的频率
    fdist = FreqDist(tokens)
    # 类似于一个Dict,带上某个单词, 可以看到它在整个文章中出现的次数
    print(fdist['is'])
    # 把最常见的50个单词拿出来
    standard_freq_vector = fdist.most_common(50)
    size = len(standard_freq_vector)
    print(standard_freq_vector)
    
    # Func:按照出现频率大小，记录下每一个单词的位置
    def position_lookup(v):
        res = {}
        counter = 0
        for word in v:
            res[word[0]] = counter
            counter += 1
        return res
    
    # 把词典中每个单词的位置记录下来
    standard_position_dict = position_lookup(standard_freq_vector)
    print(standard_position_dict)
    
    #新的句子
    sentence='this is cool'
    # 建立一个跟词典同样大小的向量
    freq_vector=[0]*size
    # 简单的预处理
    tokens=nltk.word_tokenize(sentence)
    # 对于新句子里的每个单词
    for word in tokens:
        try:
            # 如果在词典里有，就在标准位置上加1
            freq_vector[standard_position_dict[word]]+=1
        except KeyError:
            continue
    
    print(freq_vector)

> \[‘this’, ‘is’, ‘my’, ‘sentence’, ‘this’, ‘is’, ‘my’, ‘life’, ‘this’, ‘is’, ‘the’, ‘day’\]  
> 3  
> \[(‘this’, 3), (‘is’, 3), (‘my’, 2), (‘sentence’, 1), (‘life’, 1), (‘the’, 1), (‘day’, 1)\]  
> \{‘this’: 0, ‘is’: 1, ‘my’: 2, ‘sentence’: 3, ‘life’: 4, ‘the’: 5, ‘day’: 6\}  
> \[1, 1, 0, 0, 0, 0, 0\]

#### **应用：文本分类** ####

**TF-IDF**

TF：Term Frequency 衡量一个term 在文档中出现得有多频繁。

TF（t）=t出现在文档中的次数文档中的term总数TF（t）=t出现在文档中的次数文档中的term总数

IDF：Inverse Document Frequency ，衡量一个term有多重要。

有些词出现的很多，但明显不是很有用，如 ‘is’’the’ ‘and’ 之类的词。

IDF(t)=loge(文档总数含有t的文档总数)IDF(t)=loge(文档总数含有t的文档总数)

（如果一个词越常见，那么分母就越大，逆文档频率就越小越接近0。所以分母通常加1，是为了避免分母为0（即所有文档都不包含该词）。log表示对得到的值取对数。）

如果某个词比较少见，但是它在这篇文章中多次出现，那么它很可能就反映了这篇文章的特性，正是我们所需要的关键词。

TF−IDF=TF∗IDFTF−IDF=TF∗IDF

NLTK实现TF-IDF

from nltk.text import TextCollection
    
    # 首先，把所有的文档放到TextCollection类中
    # 这个类会自动帮你断句，做统计，做计算
    corpus = TextCollection(['this is sentence one',
                             'this is sentence two',
                             ' is sentence three'])
    
    # 直接就能算出tfidf
    # (term:一句话中的某个term,text:这句话)
    print(corpus.tf_idf('this', 'this is sentence four'))
    
    # 对于每个新句子
    new_sentence='this is sentence five'
    # 遍历一遍所有的vocabulary中的词：
    standard_vocab=['this' 'is' 'sentence' 'one' 'two' 'five']
    for word in standard_vocab:
        print(corpus.tf_idf(word, new_sentence))

得到了 TF-IDF的向量表示后，用ML 模型就行分类即可：  
![这里写图片描述][SouthEast 3]

--------------------

案例：关键词搜索

kaggle竞赛题：[https://www.kaggle.com/c/home-depot-product-search-relevance][https_www.kaggle.com_c_home-depot-product-search-relevance]

#### Step1：导入所需 ####

import numpy as np
    import pandas as pd
    from sklearn.ensemble import RandomForestRegressor, BaggingRegressor
    from nltk.stem.snowball import SnowballStemmer

读入训练/测试集

df_train = pd.read_csv('../input/train.csv', encoding="ISO-8859-1")
    df_test = pd.read_csv('../input/test.csv', encoding="ISO-8859-1")
    df_desc = pd.read_csv('../input/product_descriptions.csv') # 产品介绍

看看数据们都长什么样子

df_train.head()

![这里写图片描述][SouthEast 4]

df_desc.head()

![这里写图片描述][SouthEast 5]

# 合并数据一起处理
    df_all = pd.concat((df_train, df_test), axis=0, ignore_index=True)
    # 将产品描述根据 product_uid 连接过来
    df_all = pd.merge(df_all, df_desc, how='left', on='product_uid')

df_all.head()

![这里写图片描述][SouthEast 6]

#### Step 2: 文本预处理 ####

我们这里遇到的文本预处理比较简单，因为最主要的就是看关键词是否会被包含。  
所以我们统一化我们的文本内容，以达到任何term在我们的数据集中只有一种表达式的效果。

stemmer = SnowballStemmer('english')
    
    def str_stemmer(s):
        return " ".join([stemmer.stem(word) for word in s.lower().split()])
    
    def str_common_word(str1, str2):
        return sum(int(str2.find(word)>=0) for word in str1.split())

接下来，把每一个column都跑一遍，以清洁所有的文本内容

# 对 文字列进行 词干提取
    df_all['search_term'] = df_all['search_term'].map(lambda x: str_stemmer(x))
    df_all['product_title'] = df_all['product_title'].map(lambda x: str_stemmer(x))
    df_all['product_description'] = df_all['product_description'].map(lambda x: str_stemmer(x))

#### Step 3: 自制文本特征 ####

# 关键词的长度
    df_all['len_of_query'] = df_all['search_term'].map(lambda x:len(x.split())).astype(np.int64)
    # 标题中有多少关键词重合
    df_all['commons_in_title'] = df_all.apply(lambda x:str_common_word(x['search_term'],x['product_title']), axis=1)
    # 描述中有多少关键词重合
    df_all['commons_in_desc'] = df_all.apply(lambda x:str_common_word(x['search_term'],x['product_description']), axis=1)

把不能被『机器学习模型』处理的column给drop掉

df_all = df_all.drop(['search_term','product_title','product_description'],axis=1)

#### Step 4: 重塑训练/测试集 ####

总体处理完之后，再将训练集合测试集分开

df_train = df_all.loc[df_train.index]
    df_test = df_all.loc[df_test.index]

记录下测试集的id  
留着上传的时候 能对的上号

test_ids = df_test['id']

分离出y\_train

y_train = df_train['relevance'].values

把原集中的label给删去

X_train = df_train.drop(['id','relevance'],axis=1).values X_test = df_test.drop(['id','relevance'],axis=1).values

#### Step 5: 建立模型 ####

from sklearn.ensemble import RandomForestRegressor
    from sklearn.model_selection import cross_val_score

# 用CV结果保证公正客观性，调试不同的alpha值
    params = [1, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10]
    test_scores = []
    for param in params:
        clf = RandomForestRegressor(n_estimators=30, max_depth=param)
        test_score = np.sqrt(-cross_val_score(clf, X_train, y_train, cv=5, scoring='neg_mean_squared_error'))
        test_scores.append(np.mean(test_scores))

画个图来看看：

import matplotlib.pyplot as plt
    %matplotlib inline
    plt.plot(params, test_scores)
    plt.title("Param vs CV Error");

![这里写图片描述][SouthEast 7]

大概6~7的时候达到了最优解

#### Step 6: 上传结果 ####

rf = RandomForestRegressor(n_estimators=30, max_depth=6)
    rf.fit(X_train, y_train)
    y_pred = rf.predict(X_test)
    pd.DataFrame({
       "id": test_ids, "relevance": y_pred}).to_csv('submission.csv',index=False)

总结：  
这一篇教程中，虽然都是用的最简单的方法，但是基本框架是很完整的。  
同学们可以尝试修改/调试/升级的部分是：  
文本预处理步骤: 你可以使用很多不同的方法来使得文本数据变得更加清洁  
自制的特征: 相处更多的特征值表达方法（关键词全段重合数量，重合比率，等等）  
更好的回归模型: 根据之前的课讲的Ensemble方法，把分类器提升到极致

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