【不可思议的Word2Vec】5. Tensorflow版的Word2Vec

本文封装了一个比较完整的Word2Vec，其模型部分使用tensorflow实现。本文的目的并非只是再造一次Word2Vec这个轮子，而是通过这个例子来熟悉tensorflow的写法，并且测试笔者设计的一种新的softmax loss的效果，为后面研究语言模型的工作做准备。

不同的地方 #

Word2Vec的基本的数学原理，请移步到《【不可思议的Word2Vec】 1.数学原理》一文查看。本文的主要模型还是CBOW或者Skip-Gram，但在loss设计上有所不同。本文还是使用了完整的softmax结构，而不是huffmax softmax或者负采样方案，但是在训练softmax时，使用了基于随机负采样的交叉熵作为loss。这种loss与已有的nce_loss和sampled_softmax_loss都不一样，这里姑且命名为random softmax loss。

另外，在softmax结构中，一般是$\text{softmax}(Wx+b)$这样的形式，考虑到$W$矩阵的形状事实上跟词向量矩阵的形状是一样的，因此本文考虑了softmax层与词向量层共享权重的模型（这时候直接让$b$为0），这种模型等效于原有的Word2Vec的负采样方案，也类似于glove词向量的词共现矩阵分解，但由于使用了交叉熵损失，理论上收敛更快，而且训练结果依然具有softmax的预测概率意义（相比之下，已有的Word2Vec负样本模型训练完之后，最后模型的输出值是没有意义的，只有词向量是有意义的。）。同时，由于共享了参数，因此词向量的更新更为充分，读者不妨多多测试这种方案。

所以，本文事实上也实现了4个模型组合：CBOW/Skip-Gram，是/否共享softmax层的参数，读者可以选择使用。

loss是怎么来的 #

前面已经说了，本文的主要目的之一就是测试新loss的有效性，下面简介一下这个loss的来源和形式。这要从softmax为什么训练难度大开始说起～

假设标签数（本文中也就是词表中词汇量）为$n$，那么
$$\begin{aligned}(p_1,p_2,\dots,p_n) =& \text{softmax}(z_1,z_2,\dots,z_n)\\
=& \left(\frac{e^{z_1}}{Z}, \frac{e^{z_2}}{Z}, \dots, \frac{e^{z_n}}{Z}\right)\end{aligned}$$
这里$Z = e^{z_1} + e^{z_2} + \dots + e^{z_n}$。如果正确类别标签为$t$，使用交叉熵为loss，则
$$L=-\log \frac{e^{z_t}}{Z}$$
梯度为
$$\nabla L=-\nabla z_t + \nabla (\log Z)=-\nabla z_t + \frac{\nabla Z}{Z}$$
因为有$Z$的存在，每次梯度下降时，都要计算完整的$Z$来计算$\nabla Z$，也就是每一个样本迭代一次的计算量就是$\mathcal{O}(n)$了，对于$n$比较大的情形，这是难以接受的，所以要寻求近似方案（huffman softmax是其中的一种，但是它写起来会比较复杂，而且huffman softmax的结果通常略差于普通的softmax，还有huffman softmax仅仅是训练快，但是如果预测时要找最大概率的标签，那么反而更加慢）。

让我们进一步计算$\nabla L$：
$$\begin{aligned}\nabla L=&-\nabla z_t + \frac{\sum_i e^{z_i}\nabla z_i}{Z}\\
=&-\nabla z_t + \frac{\sum_i e^{z_i}}{Z}\nabla z_i\\
=&-\nabla z_t + \sum_i p_i \nabla z_i\\
=&-\nabla z_t + \text{E}(\nabla z_i)
\end{aligned}$$
也就是说，最后的梯度由两项组成：一项是正确标签的梯度，一项是所有标签的梯度的均值，这两项反号，可以理解为这两项在“拉锯战”。计算量主要集中在第二项，因为要遍历所有才能算具体的均值。然而，均值本身就具有概率意义的，那么能不能直接就随机选取若干个来算这个梯度均值，而不用算全部梯度呢？如果可以的话，那每步更新的计算量就固定了，不会随着标签数的增大而快速增加。

但如果这样做的话，需要按概率来随机选取标签，这也并不容易写。然而，有个更巧妙的方法是不用我们直接算梯度，我们可以直接对loss动手脚。所以这就导致了本文的loss：对于每个“样本-标签”对，随机选取nb_negative个标签，然后与原来的标签组成nb_negative+1个标签，直接在这nb_negative+1个标签中算softmax和交叉熵。选取这样的loss之后再去算梯度，就会发现自然就是按概率来选取的梯度均值了。

代码实现 #

自我感觉代码还是比较精炼的，单文件包含了所有内容。训练输出模仿了gensim中的Word2Vec。模型代码位于GitHub：
https://github.com/bojone/tf_word2vec/blob/master/Word2Vec.py

使用参考：

from Word2Vec import *
import pymongo
db = pymongo.MongoClient().travel.articles
class texts:
    def __iter__(self):
        for t in db.find().limit(30000):
            yield t['words']

wv = Word2Vec(texts(), model='cbow', nb_negative=16, shared_softmax=True, epochs=2) #建立并训练模型
wv.save_model('myvec') #保存到当前目录下的myvec文件夹

#训练完成后可以这样调用
wv = Word2Vec() #建立空模型
wv.load_model('myvec') #从当前目录下的myvec文件夹加载模型

有几点需要说明的：

1、训练的输入是分好词的句子，可以是列表，也可以是迭代器（class+__iter__），注意，不能是生成器（函数+yield），这跟gensim版的word2vec的要求是一致的。因为生成器只能遍历一次，而训练word2vec需要多次遍历数据；

2、模型不支持更新式训练，即训练完模型后，不能再用额外的文档更新原来的模型（不是不可以，是没必要，而且意义不大）；

3、训练模型需要tensorflow，推荐用GPU加速，训练完成后，重新加载模型并且使用模型，都不需要tensorflow，只需要numpy；

4、对于迭代次数，一般迭代1～2次就够了，负样本个数10～30即可。其余参数如batch_size，可以自己实验调整。

简单的对比实验 #

tensorflow中，已有的两种近似训练softmax的loss是nce_loss和sampled_softmax_loss，这里简单做一个比较。在一个旅游领域的语料中（两万多篇文章）训练同样的模型，并比较结果。模型cbow，softmax选择不共享词向量层，其余参数都采用相同的默认参数。

random_softmax_loss #

耗时：8分19秒（迭代次数2次，batch_size为8000）

相似度测试结果

>>> import pandas as pd
>>> pd.Series(wv.most_similar(u'水果'))
0 (食品, 0.767908)
1 (鱼干, 0.762363)
2 (椰子, 0.750326)
3 (饮料, 0.722811)
4 (食物, 0.719381)
5 (牛肉干, 0.715441)
6 (菠萝, 0.715354)
7 (火腿肠, 0.714509)
8 (菠萝蜜, 0.712546)
9 (葡萄干, 0.709274)
dtype: object

>>> pd.Series(wv.most_similar(u'自然'))
0 (人文, 0.645445)
1 (和谐, 0.634387)
2 (包容, 0.61829)
3 (大自然, 0.601749)
4 (自然环境, 0.588165)
5 (融, 0.579027)
6 (博大, 0.574943)
7 (诠释, 0.550352)
8 (野性, 0.548001)
9 (野趣, 0.545887)
dtype: object

>>> pd.Series(wv.most_similar(u'广州'))
0 (上海, 0.749281)
1 (武汉, 0.730211)
2 (深圳, 0.703333)
3 (长沙, 0.683243)
4 (福州, 0.68216)
5 (合肥, 0.673027)
6 (北京, 0.669859)
7 (重庆, 0.653501)
8 (海口, 0.647563)
9 (天津, 0.642161)
dtype: object

>>> pd.Series(wv.most_similar(u'风景'))
0 (景色, 0.825557)
1 (美景, 0.763399)
2 (景致, 0.734687)
3 (风光, 0.727672)
4 (景观, 0.57638)
5 (湖光山色, 0.573512)
6 (山景, 0.555502)
7 (美不胜收, 0.552739)
8 (明仕, 0.535922)
9 (沿途, 0.53485)
dtype: object

>>> pd.Series(wv.most_similar(u'酒楼'))
0 (酒家, 0.768179)
1 (排挡, 0.731749)
2 (火锅店, 0.729214)
3 (排档, 0.726048)
4 (餐馆, 0.722667)
5 (面馆, 0.715188)
6 (大排档, 0.709883)
7 (名店, 0.708996)
8 (松鹤楼, 0.705759)
9 (分店, 0.705749)
dtype: object

>>> pd.Series(wv.most_similar(u'酒店'))
0 (万豪, 0.722409)
1 (希尔顿, 0.713292)
2 (五星, 0.697638)
3 (五星级, 0.696659)
4 (凯莱, 0.694978)
5 (银泰, 0.693179)
6 (大酒店, 0.692239)
7 (宾馆, 0.67907)
8 (喜来登, 0.668638)
9 (假日, 0.662169)

nce_loss #

耗时：4分钟（迭代次数2次，batch_size为8000），然而相似度测试结果简直不堪入目，当然，考虑到用时变少了，为了公平，将迭代次数增加到4次，其余参数不变，重复跑一次。相似度测试结果依旧一塌糊涂，比如：

>>> pd.Series(wv.most_similar(u'水果'))
0 (口, 0.940704)
1 (可, 0.940106)
2 (100, 0.939276)
3 (变, 0.938824)
4 (第二, 0.938155)
5 (：, 0.938088)
6 (见, 0.937939)
7 (不好, 0.937616)
8 (和, 0.937535)
9 (（, 0.937383)
dtype: object

有点怀疑是不是我使用姿势不对了～于是我再次调整，将nb_negative增加到1000，然后迭代次数调回为3，这样耗时为9分17秒，最后的loss比前面的要小一个数量级，比较相似度的结果有些靠谱了，但还是并非特别好，比如：

>>> pd.Series(wv.most_similar(u'水果'))
0 (特产, 0.984775)
1 (海鲜, 0.981409)
2 (之类, 0.981158)
3 (食品, 0.980803)
4 (。, 0.980371)
5 (蔬菜, 0.979822)
6 (&, 0.979713)
7 (芒果, 0.979599)
8 (可, 0.979486)
9 (比如, 0.978958)
dtype: object

>>> pd.Series(wv.most_similar(u'自然'))
0 (与, 0.985322)
1 (地处, 0.984874)
2 (这些, 0.983769)
3 (夫人, 0.983499)
4 (里, 0.983473)
5 (的, 0.983456)
6 (将, 0.983432)
7 (故居, 0.983328)
8 (那些, 0.983089)
9 (这里, 0.983046)
dtype: object

sampled_softmax_loss #

有了前面的经验，这次直接将nb_negative设为1000，然后迭代次数为3，这样耗时为8分38秒，相似度比较的结果是：

>>> pd.Series(wv.most_similar(u'水果'))
0 (零食, 0.69762)
1 (食品, 0.651911)
2 (巧克力, 0.64101)
3 (葡萄, 0.636065)
4 (饼干, 0.62631)
5 (面包, 0.613488)
6 (哈密瓜, 0.604927)
7 (食物, 0.602576)
8 (干货, 0.601015)
9 (菠萝, 0.598993)
dtype: object

>>> pd.Series(wv.most_similar(u'自然'))
0 (人文, 0.577503)
1 (大自然, 0.537344)
2 (景观, 0.526281)
3 (田园, 0.526062)
4 (独特, 0.526009)
5 (和谐, 0.503326)
6 (旖旎, 0.498782)
7 (无限, 0.491521)
8 (秀美, 0.482407)
9 (一派, 0.479687)
dtype: object

>>> pd.Series(wv.most_similar(u'广州'))
0 (深圳, 0.771525)
1 (上海, 0.739744)
2 (东莞, 0.726057)
3 (沈阳, 0.687548)
4 (福州, 0.654641)
5 (北京, 0.650491)
6 (动车组, 0.644898)
7 (乘动车, 0.635638)
8 (海口, 0.631551)
9 (长春, 0.628518)
dtype: object

>>> pd.Series(wv.most_similar(u'风景'))
0 (景色, 0.8393)
1 (景致, 0.731151)
2 (风光, 0.730255)
3 (美景, 0.666185)
4 (雪景, 0.554452)
5 (景观, 0.530444)
6 (湖光山色, 0.529671)
7 (山景, 0.511195)
8 (路况, 0.490073)
9 (风景如画, 0.483742)
dtype: object
>>> pd.Series(wv.most_similar(u'酒楼'))
0 (酒家, 0.766124)
1 (菜馆, 0.687775)
2 (食府, 0.666957)
3 (饭店, 0.664034)
4 (川味, 0.659254)
5 (饭馆, 0.658057)
6 (排挡, 0.656883)
7 (粗茶淡饭, 0.650861)
8 (共和春, 0.650256)
9 (餐馆, 0.644265)
dtype: object

>>> pd.Series(wv.most_similar(u'酒店'))
0 (宾馆, 0.685888)
1 (大酒店, 0.678389)
2 (四星, 0.638032)
3 (五星, 0.633661)
4 (汉庭, 0.619405)
5 (如家, 0.614918)
6 (大堂, 0.612269)
7 (度假村, 0.610618)
8 (四星级, 0.609796)
9 (天域, 0.598987)
dtype: object

总结 #

这个实验虽然不怎么严谨，但是应该可以说，在相同的训练时间下，从相似度任务来看，感觉上random softmax与sampled softmax效果相当，nce loss的效果最差，进一步压缩迭代次数，调整参数也表明了类似结果，欢迎读者进一步测试。由于本文的random softmax对每一个样本都进行不同的采样，因此所需要采样的负样本数更少，并且采样更加充分。

至于其他任务的比较，只能在以后的实践中进行了。毕竟这不是发论文，我也懒得做了～

后续工作 #

一个问题是：为啥跟sampled softmax效果相当，我还要造新的loss？其实原因很简单的，我看sampled softmax的论文和公式，总感觉它不大好看，理论不够漂亮，当然，就效果来看，是我太强迫症了。本文就算是强迫症的产物吧，也算是练手tensorflow。

另外，《记录一次半监督的情感分析》一文表明，语言模型在预训练模型、实现半监督等任务中有着重要的潜力，甚至词向量也不过就是语言模型来预训练的第一层参数而已。所以笔者想抽空深入一下类似的内容。本文就是为了这个所做的准备之一了。

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更详细的转载事宜请参考：《科学空间FAQ》

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