Word2Vec教程 - Skip-Gram模型

翻译原始链接： http://mccormickml.com/2016/04/19/word2vec-tutorial-the-skip-gram-model/

这个教程包含 训练word2vec的 skip-gram 模型。通过这个教程，我希望跳过常规Word2Vec 的介绍和抽象理解， 而是去讨论一些细节。特别是skip gram的网络结构。

模型

skipgram model 常常让人惊讶于它的简单结构。我认为基本没啥弯路，或者需要复杂的模型解释。

让我们从高层语义开始。Word2Vec 使用了一个小trick，你可能在其他machine learning问题中见过。我们训练一个简单的网络来执行一个任务，但是最乎我们实际上并没有用这个网络 来预测 test中的任务。而是，利用这个任务（目标）去学习网络中的权重W。我们将看到这些学出来的权重W就是我们所要的词向量（word vectors）。

你可能会见到这个trick，的另一个地方是 auto-encoder。 auto-encoder 常常用来压缩一个输入，然后再把压缩后的结果解压回去。在训练完成之后，你可以把解压的网络扔掉，只使用压缩的网络。这就是一个trick来获得 无监督下 好的图像特征。

假任务

那现在我们来讨论一下我们所要建立网络的训练任务（假任务）。然后我们再来讨论为什么这个任务可以间接地学习到想要的word vector。

给定句子中一个特定的词（input word），随机选它附近的一个词。网络的目标是预测 我们选到这个附近词的概率。

实际上这个“附近“，是一个窗口。一个常用的窗口大小为5，意味着 输入词前方的5个词，后方的5个词。

输出的概率实际上关系到周围的每一个词。比如，如果你给出一个词苏联（Soviet），那么概率很高的输出 应该是 联合（Union）和俄罗斯（Russia）而不是西瓜或者袋鼠。

我们通过给网络 输入我们在训练文本中 找到的词对，来训练网络。下面这个例子展示了从“The quick brown fox jumps over the lazy dog.“ 中找到的一些词对. 我使用了window size=2，而蓝色标出的词为输入词。

网络将会去学这些pair出现的统计概率。举个例子来说，网络会得到很多 （苏联，联合）的概率多过（苏联，大脚怪）。所以当训练完成的时候，当你输入了苏联这个词，联合会得到比大脚怪更高的预测概率。

模型细节

首先，你不能把word变成一个string输入给网络，所以我们要找另外一个形式。所以我们首先建立一个word的词典，比如我们有10，000个不同的词，那么我们就建立一个10，000的词典。

“ants“就可以变成一个10，000维的向量。这个向量每一维代表一个词，我们把代表“ants“的那一维置为1，其他维置为0。

而网络的输出也是一样也是一个 10，000维的向量，代表每个词预测的概率。

网络结构如下图：

网络中没有激活函数，输出使用的是softmax。我们等下再回来讨论。

当使用这个网络来训练词pair的时候，训练的输入是one-hot向量 训练的目标输出也是一个one-hot向量。但实际test这个网络的时候，输出会是一个概率分布。
（译者按：打个比方，苏联只 和 联合／俄罗斯 有交集，所以会收敛到 50%, 50% 的分布。而不是 联合就是100%。 当然test的时候也可以找最高概率的结果，那也是one-hot。）

隐层

我们需要学习300维的word vector。所以我们使用的隐层将是 10,000行 （词典中词的数量）和 300列的 （每个隐层神经元）。

300 是Google公布出来在Google news 上训练使用的维数，你可以通过这个链接([https://code.google.com/archive/p/word2vec/]) 下载（需*）。这书300是个超参，可以按你的实际需求修改。

如果你从行的角度看，这个隐层的W实际上就是我们要的word vector。

所以最终目标就是 让网络学习 隐层中的权重。当我们训练完成的时候，我们就可以把后半部分 output层给去掉了。

好，让我们回到之前的模型的定义。

现在你可能在问自己，one-hot向量就是基本全是0，只有一个是1的向量，那么这会产生什么结果呢？ 当你用 1×10,000 乘 10,000×300 的矩阵，他相当于只选择了那一行‘1‘的。下面是一个简单的例子：

这意味着这个网络的隐层实际上就是像一个 查找表（lookup table）一样。输出的300维就是这个词的word vector。

输出层

‘ant‘的 1×300 的word vector 然后传到了输出层。输出层是一个softmax 的分类器（译者按：我认为不是regression，就是classification吧）主旨就是把每个输出normal到0～1之间，并且这些输出的和为1。

更具体的来说，每个word vector（ 1×300 ）将会乘一个W( 300×10,000 )再次映射到 10,000维，每一维代表临近词的概率。而这些概率做一个softmax的normal（就是图中的 exp 的函数，来归一化）。 下面是一张说明图。

需要注意的是，神经网络彬不知道输出词对于输入词的位置。输出词常常在输入词的前面还是后面。举个例子来说，虽然York 100%是跟在 New的后面，但是训练出来的网络 用York 作为输入，New 并不是100%的，还可能是其词。

直觉

让我们对这个网络做一个直觉上的感受。

如果两个不同的词有相同的上下文，那么我们的模型会需要预测类似的输出。那么网络为了输出类似的预测，他就会使这两个不同词的word vector尽可能相似。所以，如果两个词有相同的上下文，我们就可以得到比较接近的word vector。

那么什么词有相同的上下文？ 比如一些近义词 smart 和intelligent 再比如 一些相关的词 engine 和 transmission。

这也可以帮你处理一些形式变化。比如 ant 和ants 因为他们应该有类似的上下文。

下一步

你可能注意到 skip-gram 有很多权重需要学习。 举个例子说，300维特征，10,000的词表， 3MB×2 的权重需要去学习，输入输出层各一个。
所以如果在一个更大的词典上学习，word2vec的作者引入了一些trick 让训练更可行。这将会在下一章中介绍。（我也做了翻译，欢迎大家继续看～）