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語義很重要，因為在NLP中，這是正在研究的單詞之間的關(guān)系。最簡單但最有效的過程之一是連續(xù)的單詞袋（CBOW），將單詞映射到稱為單詞向量的高度有意義的向量。 CBow在Word2Vec框架中使用，并根據(jù)與之相鄰的單詞預(yù)測一個單詞，該單詞捕獲了語言的語義和語法含義。在本文中，讀者將了解CBOW模型的操作以及其使用方法。

學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解CBOW模型背后的理論。
了解CBow和Skip-gram之間的差異。
使用示例數(shù)據(jù)集實現(xiàn)Python中的CBOW模型。
分析CBOW的優(yōu)勢和局限性。
探索CBOW生成的單詞嵌入的用例。

什么是連續(xù)的單詞模型？

連續(xù)的單詞袋（CBOW）也是一種模型，它在使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定嵌入單詞時使用，并且是Tomas Mikolov的Word2Vec模型的一部分。 CBow試圖根據(jù)給定句子觀察的上下文單詞預(yù)測目標(biāo)詞。這樣，它就能捕獲語義關(guān)系，因此在高維空間中密切表示近距離表示。

例如，在“貓坐在墊子上”的句子中，如果上下文窗口大小為2，則“ sat”的上下文單詞是[“”，“”，“ cat”，“ on”，“ the”] ，并且該模型的任務(wù)是預(yù)測“ sat”一詞。

CBOW通過匯總上下文單詞（例如，平均嵌入）并使用此匯總表示來預(yù)測目標(biāo)單詞來運行。該模型的體系結(jié)構(gòu)涉及上下文單詞的輸入層，用于嵌入生成的隱藏層以及使用概率分布預(yù)測目標(biāo)單詞的輸出層。

這是一個適合處理頻繁單詞的快速高效模型，非常適合需要語義理解的任務(wù)，例如文本分類，推薦系統(tǒng)和情感分析。

連續(xù)的單詞如何工作

CBow是根據(jù)上下文的最簡單，有效的技術(shù)之一，用于單詞嵌入，其中整個單詞的詞匯映射到向量。本節(jié)還將CBOW系統(tǒng)的操作描述為在其最基本的層面上理解該方法的一種手段，討論了基于CBOW方法的主要思想，并為CBOW命中計算系統(tǒng)的架構(gòu)布局提供了綜合指南。

了解上下文和目標(biāo)詞

CBow依靠兩個關(guān)鍵概念：上下文單詞和目標(biāo)詞。

上下文詞：這些是定義的窗口大小中的目標(biāo)詞圍繞目標(biāo)單詞的單詞。例如，在句子中：
“快速的棕色狐貍跳過懶狗” ，
如果目標(biāo)詞是“ fox” ，而上下文窗口大小為2，則上下文單詞為[“快速”，“棕色”，“跳”，“ Over”] 。
目標(biāo)詞：這是CBOW旨在預(yù)測上下文單詞的單詞。在上面的示例中，目標(biāo)詞是“狐貍” 。

通過分析上下文與大型語料庫中的目標(biāo)單詞之間的關(guān)系，CBOW生成嵌入，以捕獲單詞之間的語義關(guān)系。

CBOW的逐步過程

這是CBOW工作原理的細(xì)分，分步：

步驟1：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

選擇文本語料庫（例如，句子或段落）。
將文本歸為單詞并構(gòu)建詞匯。
定義上下文窗口大小nnn（例如，每側(cè)2個單詞）。

步驟2：生成上下文目標(biāo)對

對于語料庫中的每個單詞，請根據(jù)窗口大小提取其周圍的上下文單詞。
示例：對于“我愛機器學(xué)習(xí)”和n = 2n = 2n = 2的句子，對是：目標(biāo)詞上下文單詞愛[i”，“ machine”]機器[“愛”，“學(xué)習(xí)”]

步驟3：單速編碼

基于詞匯大小，將上下文單詞和目標(biāo)單詞轉(zhuǎn)換為單熱矢量。對于大小5的詞匯，“愛”一詞的單次表示可能看起來像[0、1、0、0、0、0] 。

步驟4：嵌入層

通過嵌入層傳遞單熱編碼的上下文單詞。該層將每個單詞映射到密集的向量表示，通常比詞匯大小較低。

步驟5：上下文聚合

匯總所有上下文單詞的嵌入（例如，平均或求和它們）形成單個上下文向量。

步驟6：預(yù)測

將聚合的上下文向量饋入具有軟磁輸出層的完全連接的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
該模型根據(jù)詞匯上的概率分布預(yù)測最可能的單詞作為目標(biāo)。

步驟7：損失計算和優(yōu)化

使用跨透鏡損失函數(shù)計算預(yù)測和實際目標(biāo)詞之間的誤差。
反向傳播誤差以調(diào)整嵌入和預(yù)測層中的權(quán)重。

步驟8：對所有對重復(fù)

重復(fù)語料庫中所有上下文目標(biāo)對的過程，直到模型收斂為止。

CBow架構(gòu)詳細(xì)解釋

連續(xù)的單詞（CBOW）模型架構(gòu)旨在根據(jù)其周圍上下文單詞進行預(yù)測目標(biāo)單詞。它是一個具有直接但有效結(jié)構(gòu)的淺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。 CBOW架構(gòu)由以下組件組成：

輸入層

輸入表示：
該模型的輸入是上下文單詞表示為單熱編碼向量。
- 如果詞匯大小為v，則每個單詞表示為大小為V的單式向量，在索引處單個1表示與單詞相對應(yīng)的索引，而在其他地方為0。
- 例如，如果詞匯為[“貓”，“狗”，“狐貍”，“樹”，“鳥”]和“狐貍”一詞是第三個單詞，則其一hot矢量為[0,0,1,0,0] [0，0，0，0，1，1，0，0，0] [0,0,1,1,0,0]。
上下文窗口：
上下文窗口大小n確定了使用的上下文單詞的數(shù)量。如果n = 2，則使用目標(biāo)單詞的每一側(cè)兩個單詞。
- 對于句子： “快速的棕色狐貍跳過懶狗”和目標(biāo)單詞“狐貍” ，n = 2的上下文單詞是[“快速”，“棕色”，“跳躍”，“ Over”] 。

嵌入層

目的：
該層將在高尺寸中存在的單熱量向量轉(zhuǎn)換為最大密度和低尺寸向量。與以下事實相反：在單詞嵌入單詞中被表示為具有零值的向量，在嵌入式層中，每個單詞都由所需維度的連續(xù)向量編碼，這些維度反映了單詞含義的特定特征。
單詞嵌入矩陣：
嵌入層保持一個單詞嵌入尺寸v×d的矩陣W，其中v是詞匯大小，d是嵌入尺寸。
- W的每一行代表單詞的嵌入。
- 對于單熱向量XXX，將嵌入計算為W^TX X。
上下文詞嵌入：
使用嵌入矩陣將每個上下文單詞轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的致密矢量。如果窗口大小n = 2，并且我們有4個上下文單詞，則提取了這些單詞的嵌入。

隱藏層：上下文聚合

目的：
將上下文單詞的嵌入組合在一起以形成單個上下文向量。
聚合方法：
- 平均值：所有上下文單詞的嵌入平均以計算上下文向量。

了解連續(xù)的單詞袋（CBOW）

求和：嵌入而不是平均，而是求和。

了解連續(xù)的單詞袋（CBOW）

結(jié)果上下文向量：結(jié)果是單個密集的向量HHH，代表周圍單詞的匯總上下文。

輸出層

目的：輸出層使用上下文向量HHH預(yù)測目標(biāo)單詞。
完全連接的層：上下文向量HHH通過一個完全連接的層，該層輸出了詞匯中每個單詞的原始分?jǐn)?shù)。這些分?jǐn)?shù)稱為邏輯。
SoftMax函數(shù)：邏輯通過SoftMax函數(shù)傳遞，以計算詞匯上的概率分布：

了解連續(xù)的單詞袋（CBOW）

預(yù)測的目標(biāo)詞：第一個原因是，在SoftMax輸出時，該算法將目標(biāo)詞定義為具有最高概率的單詞。

損失功能

跨透鏡損失用于將預(yù)測的概率分布與實際目標(biāo)詞（地面真相）進行比較。
使用隨機梯度下降（SGD）或其變體等優(yōu)化技術(shù)將損失最小化。

CBOW的示例

輸入：
句子： “我愛機器學(xué)習(xí)” ，目標(biāo)詞： “機器” ，上下文詞： [“我”，“愛”，“學(xué)習(xí)”] 。

單速編碼：
詞匯： [“我”，“愛”，“機器”，“學(xué)習(xí)”，“ AI”]

一旋向量：
- “ i”：[1,0,0,0,0] [1，0，0，0，0] [1,0,0,0,0]
- “愛”：[0,1,0,0,0] [0、1、0、0、0] [0,1,0,0,0]
- “學(xué)習(xí)”：[0,0,0,1,0] [0，0，0，1，0] [0,0,0,1,0]

嵌入層：

嵌入尺寸：d = 3。
嵌入矩陣W：

了解連續(xù)的單詞袋（CBOW）

嵌入：

“我”：[0.1,0.2,0.3]
“愛”：[0.4,0.5,0.6]
“學(xué)習(xí)”：[0.2,0.3,0.4]

聚合：

平均嵌入：

了解連續(xù)的單詞袋（CBOW）

輸出層：

計算logits，應(yīng)用SoftMax并預(yù)測目標(biāo)詞。

CBOW建筑圖

輸入層：[“ i”，“ love”，“學(xué)習(xí)”]
     - >一式編碼
     - >嵌入層
         - >密集的嵌入
         - >匯總上下文向量
         - >完全連接的層Softmax
輸出：預(yù)測單詞“機器”

從頭開始編碼CBOW（帶有Python的示例）

現(xiàn)在，我們將瀏覽Python中從頭開始實施CBOW模型。

準(zhǔn)備CBOW數(shù)據(jù)

第一個尖峰是將文本轉(zhuǎn)換為代幣，將文字與上下文對鍵對面生成的單詞與上下文作為包含目標(biāo)單詞的單詞。

 copus =“快速棕狐跳過懶狗”
colpus = colpus.lower（）。split（）＃tokenization和lowercase轉(zhuǎn)換

＃定義上下文窗口大小
C = 2
context_target_pairs = []

＃生成上下文目標(biāo)對
對于我的范圍（c，len（corpus） -  c）：
    context = copus [i -c：i] copus [i 1：i c 1]
    target = copus [i]
    context_target_pairs.append（（（上下文，目標(biāo)）））

print（“上下文 - 目標(biāo)對：”，context_target_pairs）

輸出：

上下文目標(biāo)對：[（[['the'，'quick'，'fox'，跳躍']，'brown'），（['quick''，''，'brown'，''''，'off'']，'fox'），（['brown''，'fox'over'over'over'off'' “超過”，“懶惰”，“狗”]，“''）]]

創(chuàng)建字典一詞

我們構(gòu)建了一個詞匯（獨特的單詞集），然后將每個單詞映射到唯一的索引，反之亦然，以期在訓(xùn)練過程中進行有效的查找。

 ＃創(chuàng)建詞匯并將每個單詞映射到索引
vocab = set（語料庫）
word_to_index = {word：idx for IDX，枚舉（vocab）中的字}}
index_to_word = {idx：Word Word，word_to_index.items（）}中的idx

打?。ā?word to Index字典：”，Word_to_index）

輸出：

單詞到索引字典：{'brown'：0，'dog'：1，'quick'：2，'跳躍'：3，'fox'：4，'over'：5，'the'：6，'lazy'：7}

一式編碼示例

單速編碼作品是通過將單詞形成系統(tǒng)中的每個單詞轉(zhuǎn)換為向量的，其中該單詞的指標(biāo)為“ 1”，而其余的地方則為“ 0”，出于很快的原因。

 def One_hot_encode（word，word_to_index）：
    ONE_HOT = NP.Zeros（len（word_to_index））
    ONE_HOT [word_to_index [word]] = 1
    返回One_hot

＃一個單詞“快速”的示例用法
context_one_hot = [one_hot_encode（word，word_to_index）for ['the'the'，'quick']]中的字
print（“'quick''的單速編碼：”，context_one_hot [1]）

輸出：

單速編碼為“快速”：[0。 0。1。0。0。0。0。0。0。]

從頭開始構(gòu)建CBOW模型

在此步驟中，我們創(chuàng)建了一個具有兩個層的基本神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：一個用于單詞嵌入，另一個用于基于上下文單詞計算輸出，平均上下文并將其傳遞到網(wǎng)絡(luò)中。

 cbow級：
    def __init __（self，vocab_size，embedding_dim）：
        ＃隨機初始化嵌入和輸出層的權(quán)重
        self.w1 = np.random.randn（vocab_size，embedding_dim）
        self.w2 = np.random.randn（embedding_dim，vocab_size）
        
    def向前（self，context_words）：
        ＃計算隱藏層（上下文單詞的平均值）
        h = np.mean（context_words，axis = 0）
        ＃計算輸出層（SoftMax概率）
        輸出= np.dot（h，self.w2）
        返回輸出
    
    向后def（self，context_words，target_word，Learning_rate = 0.01）：
        ＃正向通行證
        h = np.mean（context_words，axis = 0）
        輸出= np.dot（h，self.w2）
        
        ＃計算錯誤和梯度
        錯誤= target_word-輸出
        self.w2 = Learning_rate * np.outer（h，錯誤）
        self.w1 = Learning_rate * np.outer（context_words，錯誤）

＃創(chuàng)建CBOW對象的示例
vocab_size = len（word_to_index）
embedding_dim = 5＃讓我們假設(shè)5維嵌入

cbow_model = cbow（vocab_size，embedding_dim）

＃使用隨機上下文單詞和目標(biāo)（例如）
context_words = [one_hot_encode（word，word_to_index）for ['the'the'，'quick'，'fox'，'躍跳']中的字
context_words = np.array（context_words）
context_words = np.mean（context_words，axis = 0）＃普通上下文單詞
target_word = one_hot_encode（'brown'，word_to_index）

＃向前通過CBOW模型
輸出= cbow_model.forward（context_words）
打印（“ CBOW向前通行證的輸出：”，輸出）

輸出：

 CBOW向前通行證的輸出：[[-0.20435729 -0.23851241 -0.08105261 -0.14251447 0.20442154 0.14336586
  -0.06523201 0.0255063]
 [-0.0192184 -0.12958821 0.1019369 0.11101922 -0.177773069 -0.02340574
  -0.22222151 -0.23863179]
 [0.21221977 -0.15263454 -0.015248 0.27618767 0.02959409 0.21777961
   0.16619577 -0.20560026]
 [0.05354038 0.06903295 0.0592706 -0.13509918 -0.00439649 0.18007843
   0.1611929 0.2449023]
 [0.01092826 0.19643582 -0.07430934 -0.16443165 -0.01094085 -0.27452367
  -0.13747784 0.31185284]]]

使用TensorFlow實現(xiàn)CBOW

TensorFlow通過定義使用嵌入層來學(xué)習(xí)單詞表示和輸出密集層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來簡化過程，并使用上下文單詞預(yù)測目標(biāo)單詞。

導(dǎo)入TensorFlow作為TF

＃使用TensorFlow定義簡單的CBOW模型
cbowmodel類（tf.keras.model）：
    def __init __（self，vocab_size，embedding_dim）：
        super（cbowmodel，self）.__ init __（）
        self.embeddings = tf.keras.layers.embedding（input_dim = vocab_size，output_dim = embedding_dim）
        self.output_layer = tf.keras.layers.dense（vocab_size，activation ='softmax'）
    
    def呼叫（self，context_words）：
        embedded_context = self.embeddings（context_words）
        context_avg = tf.reduce_mean（embedded_context，axis = 1）
        輸出= self.output_layer（context_avg）
        返回輸出

＃示例用法
model = cbowmodel（vocab_size = 8，embedding_dim = 5）
context_input = np.random.randint（0，8，size =（1，4））＃隨機上下文輸入
context_input = tf.convert_to_tensor（context_input，dtype = tf.int32）

＃正向通行證
輸出=模型（context_input）
打?。ā?Tensorflow Cbow型號的輸出：”，output.numpy（））

輸出：

 TensorFlow CBOW模型的輸出：[[0.12362909 0.12616573 0.12758036 0.12601459 0.12477358 0.1237749
  0.1231998 0.12486169]]]

使用Gensim進行CBOW

Gensim在Word2Vec（）函數(shù)中提供了現(xiàn)成的CBOW實現(xiàn)，其中無需在培訓(xùn)上勞動，因為Gensim訓(xùn)練文本語料庫的單詞嵌入。

導(dǎo)入Gensim
來自Gensim.models導(dǎo)入Word2vec

＃準(zhǔn)備數(shù)據(jù)（單詞列表列表）
copus = [[“”，“ Quick”，“ Brown”，“ Fox”]，[“跳”，“ Over”，“ The”，“ lazy”，“ dog”]]

＃使用CBOW訓(xùn)練Word2Vec型號
model = word2vec（colpus，vector_size = 5，window = 2，min_count = 1，sg = 0）

＃獲取單詞的向量表示
vector = model.wv ['fox']
打?。ā?fox'的向量表示：”，向量）

輸出：

 “?？怂埂钡氖噶勘硎荆篬-0.06810732 -0.01892803 0.11537147 -0.15043275 -0.07872207]

連續(xù)袋的優(yōu)點

現(xiàn)在，我們將探索連續(xù)袋的優(yōu)勢：

有效學(xué)習(xí)單詞表示：CBOW通過使用上下文單詞有效地學(xué)習(xí)單詞的密集矢量表示。與傳統(tǒng)的單熱編碼相比，這會導(dǎo)致較低的矢量，這在計算上可能很昂貴。
捕獲語義關(guān)系：CBOW基于單詞在大型語料庫中的上下文中捕獲語義關(guān)系。這使模型可以學(xué)習(xí)單詞相似性，同義詞和其他上下文細(xì)微差別，這些差異在信息檢索和情感分析之類的任務(wù)中很有用。
可伸縮性：CBOW模型可擴展，并且可以有效地處理大型數(shù)據(jù)集，從而非常適合具有大量文本數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序，例如搜索引擎和社交媒體平臺。
上下文靈活性：CBOW可以處理不同數(shù)量的上下文（即所考慮的周圍單詞的數(shù)量），在學(xué)習(xí)單詞表示單詞所需的上下文中提供靈活性。
NLP任務(wù)中的性能提高了：CBOW的單詞嵌入式通過提供高質(zhì)量的功能表示，增強了下游NLP任務(wù)的性能，例如文本分類，命名實體識別和機器翻譯。

連續(xù)的單詞袋的局限

現(xiàn)在讓我們討論CBOW的局限性：

對上下文窗口大小的敏感性：CBOW的性能高度取決于上下文窗口大小。一個小窗口可能只會捕獲本地關(guān)系，而大窗口可能會模糊單詞的獨特性。找到最佳上下文大小可能具有挑戰(zhàn)性且依賴于任務(wù)。
缺乏單詞順序敏感性：CBOW無視上下文中單詞的順序，這意味著它不會捕獲語言的順序性質(zhì)。對于需要對單詞順序深入了解的任務(wù)，例如句法解析和語言建模，此限制可能是有問題的。
稀有詞的困難：CBOW難以生成有意義的嵌入，以實現(xiàn)稀有或訪問量的單詞（OOV）。該模型依賴于上下文，但是單詞不經(jīng)常的數(shù)據(jù)稀疏會導(dǎo)致矢量表示不良。
僅限于淺色上下文理解：盡管CBOW捕獲基于周圍單詞的單詞含義，但它在理解更復(fù)雜的語言現(xiàn)象（例如長期依賴性，諷刺或諷刺）方面具有有限的功能，這可能需要更復(fù)雜的模型（例如變形金剛）。
無法很好地處理多義：具有多種含義的單詞（polysemy）對于CBOW可能是有問題的。由于該模型會為每個單詞生成一個嵌入，因此與Bert或Elmo（例如Bert或Elmo ）不同，它可能無法捕獲單詞在不同上下文中所具有的不同含義。

結(jié)論

事實證明，連續(xù)的單詞（CBOW）模型是通過利用周圍環(huán)境來生成單詞嵌入的一種有效而直觀的方法。通過其簡單而有效的架構(gòu)，Cbow彌合了原始文本和有意義的向量表示之間的差距，從而實現(xiàn)了廣泛的NLP應(yīng)用程序。通過了解CBOW的工作機制，其優(yōu)勢和局限性，我們可以更深入地了解NLP技術(shù)的發(fā)展。 Cbow憑借其在嵌入生成中的基本作用，繼續(xù)成為探索先進語言模型的墊腳石。