文本上的算法

㈠ 文本分类方法有哪些

文本分类问题： 给定文档p（可能含有标题t），将文档分类为n个类别中的一个或多个
文本分类应用： 常见的有垃圾邮件识别，情感分析
文本分类方向： 主要有二分类，多分类，多标签分类
文本分类方法： 传统机器学习方法（贝叶斯，svm等），深度学习方法（fastText，TextCNN等）
本文的思路： 本文主要介绍文本分类的处理过程，主要哪些方法。致力让读者明白在处理文本分类问题时应该从什么方向入手，重点关注什么问题，对于不同的场景应该采用什么方法。
文本分类的处理大致分为 文本预处理 、文本 特征提取 、 分类模型构建 等。和英文文本处理分类相比，中文文本的预处理是关键技术。

针对中文文本分类时，很关键的一个技术就是中文分词。特征粒度为词粒度远远好于字粒度，其大部分分类算法不考虑词序信息，基于字粒度的损失了过多的n-gram信息。下面简单总结一下中文分词技术:基于字符串匹配的分词方法、基于理解的分词方法和基于统计的分词方法 [1]。

1，基于字符串匹配的分词方法：
过程：这是 一种基于词典的中文分词 ，核心是首先建立统一的词典表，当需要对一个句子进行分词时，首先将句子拆分成多个部分，将每一个部分与字典一一对应，如果该词语在词典中，分词成功，否则继续拆分匹配直到成功。
核心： 字典，切分规则和匹配顺序是核心。
分析：优点是速度快，时间复杂度可以保持在O（n）,实现简单，效果尚可；但对歧义和未登录词处理效果不佳。

2， 基于理解的分词方法：基于理解的分词方法是通过让计算机模拟人对句子的理解 ，达到识别词的效果。其基本思想就是在分词的同时进行句法、语义分析，利用句法信息和语义信息来处理歧义现象。它通常包括三个部分：分词子系统、句法语义子系统、总控部分。在总控部分的协调下，分词子系统可以获得有关词、句子等的句法和语义信息来对分词歧义进行判断，即它模拟了人对句子的理解过程。这种分词方法需要使用大量的语言知识和信息。由于汉语语言知识的笼统、复杂性，难以将各种语言信息组织成机器可直接读取的形式，因此目前基于理解的分词系统 还处在试验阶段 。

3，基于统计的分词方法:
过程：统计学认为分词是一个 概率最大化问题 ，即拆分句子，基于语料库，统计 相邻的字组成的词语出现的概率 ，相邻的词出现的次数多，就出现的概率大， 按照概率值进行分词 ，所以一个完整的语料库很重要。
主要的统计模型有： N元文法模型（N-gram），隐马尔可夫模型（Hidden Markov Model ，HMM），最大熵模型（ME），条件随机场模型（Conditional Random Fields，CRF）等。

1， 分词 ： 中文任务分词必不可少，一般使用jieba分词，工业界的翘楚。
2， 去停用词：建立停用词字典 ，目前停用词字典有2000个左右，停用词主要包括一些副词、形容词及其一些连接词。通过维护一个停用词表，实际上是一个特征提取的过程，本质 上是特征选择的一部分。
3， 词性标注 ： 在分词后判断词性（动词、名词、形容词、副词…），在使用jieba分词的时候设置参数就能获取。

文本分类的核心都是如何从文本中抽取出能够体现文本特点的关键特征，抓取特征到类别之间的映射。 所以特征工程很重要，可以由四部分组成：

1，基于词袋模型的特征表示：以词为单位（Unigram）构建的词袋可能就达到几万维，如果考虑二元词组（Bigram）、三元词组（Trigram）的话词袋大小可能会有几十万之多，因此基于词袋模型的特征表示通常是极其稀疏的。

（1）词袋特征的方法有三种：

（2）优缺点：

2，基于embedding的特征表示： 通过词向量计算文本的特征。（主要针对短文本）

4，基于任务本身抽取的特征：主要是针对具体任务而设计的，通过我们对数据的观察和感知，也许能够发现一些可能有用的特征。有时候，这些手工特征对最后的分类效果提升很大。举个例子，比如对于正负面评论分类任务，对于负面评论，包含负面词的数量就是一维很强的特征。

5，特征融合：对于特征维数较高、数据模式复杂的情况，建议用非线性模型（如比较流行的GDBT, XGBoost）；对于特征维数较低、数据模式简单的情况，建议用简单的线性模型即可（如LR）。

6，主题特征：
LDA（文档的话题）： 可以假设文档集有T个话题，一篇文档可能属于一个或多个话题，通过LDA模型可以计算出文档属于某个话题的概率，这样可以计算出一个DxT的矩阵。LDA特征在文档打标签等任务上表现很好。
LSI（文档的潜在语义）： 通过分解文档-词频矩阵来计算文档的潜在语义，和LDA有一点相似，都是文档的潜在特征。

这部分不是重点，传统机器学习算法中能用来分类的模型都可以用，常见的有：NB模型，随机森林模型（RF），SVM分类模型，KNN分类模型，神经网络分类模型。
这里重点提一下贝叶斯模型，因为工业用这个模型用来识别垃圾邮件[2]。

1，fastText模型： fastText 是word2vec 作者 Mikolov 转战 Facebook 后16年7月刚发表的一篇论文： Bag of Tricks for Efficient Text Classification [3]。

模型结构：

改进：注意力（Attention）机制是自然语言处理领域一个常用的建模长时间记忆机制，能够很直观的给出每个词对结果的贡献，基本成了Seq2Seq模型的标配了。实际上文本分类从某种意义上也可以理解为一种特殊的Seq2Seq，所以考虑把Attention机制引入近来。

过程：
利用前向和后向RNN得到每个词的前向和后向上下文的表示：

词的表示变成词向量和前向后向上下文向量连接起来的形式：

模型显然并不是最重要的： 好的模型设计对拿到好结果的至关重要，也更是学术关注热点。但实际使用中，模型的工作量占的时间其实相对比较少。虽然再第二部分介绍了5种CNN/RNN及其变体的模型，实际中文本分类任务单纯用CNN已经足以取得很不错的结果了，我们的实验测试RCNN对准确率提升大约1%，并不是十分的显着。最佳实践是先用TextCNN模型把整体任务效果调试到最好，再尝试改进模型。

理解你的数据： 虽然应用深度学习有一个很大的优势是不再需要繁琐低效的人工特征工程，然而如果你只是把他当做一个黑盒，难免会经常怀疑人生。一定要理解你的数据，记住无论传统方法还是深度学习方法，数据 sense 始终非常重要。要重视 badcase 分析，明白你的数据是否适合，为什么对为什么错。

超参调节： 可以参考 深度学习网络调参技巧 - 知乎专栏

一定要用 dropout： 有两种情况可以不用：数据量特别小，或者你用了更好的正则方法，比如bn。实际中我们尝试了不同参数的dropout，最好的还是0.5，所以如果你的计算资源很有限，默认0.5是一个很好的选择。

未必一定要 softmax loss： 这取决与你的数据，如果你的任务是多个类别间非互斥，可以试试着训练多个二分类器，也就是把问题定义为multi lable 而非 multi class，我们调整后准确率还是增加了>1%。

类目不均衡问题： 基本是一个在很多场景都验证过的结论：如果你的loss被一部分类别dominate，对总体而言大多是负向的。建议可以尝试类似 booststrap 方法调整 loss 中样本权重方式解决。

避免训练震荡： 默认一定要增加随机采样因素尽可能使得数据分布iid，默认shuffle机制能使得训练结果更稳定。如果训练模型仍然很震荡，可以考虑调整学习率或 mini_batch_size。

知乎的文本多标签分类比赛，给出第一第二名的介绍网址：
NLP大赛冠军总结：300万知乎多标签文本分类任务(附深度学习源码)
2017知乎看山杯 从入门到第二

㈡ 利用神经网络进行文本分类算法综述（持续更新中）

传统的文本分类一般都是使用词袋模型/Tf-idf作为特征+机器学习分类器来进行分类的。随着深度学习的发展，越来越多的神经网络模型被用来进行文本分类。本文将对这些神经网络模型做一个简单的介绍。

本文介绍了一种词向量模型，虽然算不得文本分类模型，但由于其可以说是fasttext的基础。因此也简单提一下。

作者认为cbow和skipgram及大部分词向量模型都没有考虑到单词的多态性，而简单的将一个单词的多种形态视为独立的单词。例如like的不同形式有likes，liking，liked，likes，这些单词的意思其实是相同的，但cbow/skipgram模型却认为这些单词是各自独立的，没有考虑到其形态多样性。

因此作者提出了一个可以有效利用单词字符级别信息的n-gram词向量模型，该模型是以skipgram模式实现的。例如单词 where，其n-gram表示为<wh, whe, her, ere, re>, where。其中<>分别表示前后缀。在原始的skipgram模型中，输入仅仅只是where的onehot向量，而在此模型中输入则变成了<wh, whe, her, ere, re>, where的onehot编码的加和，有效的利用了字符级别的信息，因此效果更加好。

而在loss方面，文中采用了负采样+binary LogisticRegression的策略。即对每一个目标单词都预测为正负中的一种。

在本文中作者提供了一个基于神经网络的文本分类模型，这个模型是基于cbow的，与cbow非常类似。

和CBOW一样，fastText模型也只有三层：输入层、隐含层、输出层（Hierarchical Softmax），输入都是多个经向量表示的单词，输出都是一个特定的target，隐含层都是对多个词向量的叠加平均。不同的是，CBOW的输入是目标单词的上下文，fastText的输入是多个单词及其n-gram特征的embeding表示方式，这些特征用来表示单个文档；CBOW的输入单词被onehot编码过，fastText的输入特征是被embedding过；CBOW的输出是目标词汇，fastText的输出是文档对应的类标。输出层的实现同样使用了层次softmax，当然如果自己实现的话，对于类别数不是很多的任务，个人认为是可以直接使用softmax的。

最后，贴一个Keras的模型fasttext简化版。

基于词向量表示，本文提出利用卷积神经网络来进行文本分类。其算法如上图所示：

在本文中，作者尝试了多种不同的词向量模式：

在上一篇文章中CNN网络的输入一般是预训练好的词向量，而在本文中作者提出一种直接将embedding训练与分类任务结合在一起，且能有效提取/保留词序信息，也即有效训练出n-gram的模型方法，其实也可以理解为一种利用CNN来进行embedding的方法。

此外，另一个问题是输入序列长度变化问题（在上一篇文章textCNN中通过padding解决的？），在本文作者提出使用一个动态可变的pooling层来解决这个问题，使得卷积层输出的大小是相同的。关于可变pooling其实与图像识别中的 空间金字塔池化 (Spatial Pyramid Pooling) 是类似的。

这篇文章有点将fastText与TextCNN结合在一起的感觉，将n-gram embedding与分类任务结合在了一起进行训练，通过CNN来进行Embedding。

Text Categorization via Region Embedding》

在本篇文章中作者提出了一个tv-embedding（即two-view embedding），它也属于region embedding（也可以理解为ngram embedding）。这种方法与上面的bow-CNN表示相似，使用bow（bag of words）的方式来表示一个区域的词句，然后通过某个区域（region，左右邻域的单词或词句）来预测其前后的区域（单词或词句），即输入区域是view1，target区域是view2。tv-embedding是单独训练的，在使用的时候与CNN中的embedding组合在一起（形成多个channel？）。作者认为，word2vec方法预训练得到的embedding向量是普适性的，而通过特定任务的数据集的训练得到tv-embedding具有任务相关的一些信息，更有利于提升我们的模型效果。

吐槽一下，这篇文章没太看懂，也可能是英语太差，作者文章中没有那种一眼就能让人理解的网络图，像textCNN的图就非常一目了然，看图就知道是怎么做的了。

本文提出了一个使用监督学习加半监督预训练的基于LSTM的文本分类模型。文章作者与上面相同，所以用到的很多技术可以说与上面也是同出一辙。因此简单说下本文的一些思路。

作者认为已有的直接使用LSTM作为文本分类模型并直接将LSTM的最后一个输出作为后续全连接分类器的方法面临两个问题：（1）这种方式一般都是与word embedding整合在一起（即输入onehot经过一个embedding层再进入LSTM），但是embedding训练不稳定，不好训练；（2）直接使用LSTM最后一个输出来表示整个文档不准确，一般来说LSTM输入中后面的单词会在最后输出中占有较重的权重，但是这对于文章表示来说并不总是对的。因此作者对这两点进行了改进：

本文其实可以看作是作者将自己前面的tv-embedding半监督训练与RCNN的一个融合吧，大有一种一顿操作猛如虎，一看人头0-5的感觉（因为作者的实验结果跟一般的CNN相比其实也抢不了多少）。

本文的作者也是前面两篇使用CNN来进行文本分类处理的文章的作者。因此在本文中，结合了前面两篇文章提出的一些方法，并使用了一个深层的卷积神经网络。具体的细节包括：

更多详细的关于DPCNN的细节可以查看 从DPCNN出发，撩一下深层word-level文本分类模型 。

本文提出了一种基于CNN+Attention的文本分类模型。作者认为已有的基于CNN的文本分类模型大都使用的是固定大小的卷积核，因此其学习到的表示也是固定的n-gram表示，这个n与CNN filter大小相关。但是在进行句子的语义表示时，不同句子发挥重要作用的ngram词语常常是不同的，也即是变化的。因此，模型能根据句子来自适应的选择每个句子最佳的n-gram对于提升模型的语义表示能力是非常关键的。本文便是由此思路提出了一种自适应的来选择不同n-gram表示的模型。

本文模型在主题结构上参照了CV中的DenseNet，借由DenseNet中的稠密连接来提取到丰富的n-gram特征表示。举例来说，在layer3的特征不仅能学习到f(x1, x2, x3)，还能学习到f(x1(x2,x3))这种更多层次，更加丰富的特征。网络的结构主要包括三部分：DenseCNN主网络，Attention mole和最后的全连接层分类网络。下面对这三部分进行简单的说明：

本文通过Dense connection + Attention来自动获取对于文本语义最重要的n-gram特征，结果很好。但是缺点是，这个网络比较适合较短的文本，文中对输入文本进行了padding补齐，对于不同数据集最大长度分别为50，100等，但这对于较长的文本明显是不足的。因此对于较长的文本或许HAN这种借用RNN来不限制输入长短的网络会更好。

本文提出了一种结合循环神经网络（RNN）和卷积神经网络来进行文本分类的方法，其结构如上图所示，该网络可以分为三部分：

虽然说是RNN与CNN的结合，但是其实只用到了CNN中的pooling，多少有一点噱头的意思。文中还提到了RCNN为什么比CNN效果好的原因，即为什么RCNN能比CNN更好的捕捉到上下文信息：CNN使用了固定大小window（也即kernel size）来提取上下文信息，其实就是一个n-gram。因此CNN的表现很大程度上受window大小的影响，太小了会丢失一些长距离信息，太大了又会导致稀疏性问题，而且会增加计算量。

在众多自然语言处理任务中，一个非常突出的问题就是训练数据不足，且标注难度大。因此文本提出了一种多任务共享的RNN模型框架，其使用多个不同任务数据集来训练同一个模型共享参数，已达到扩充数据集的作用。

文中作者提出了三个模型，如上图所示：

三个模型的训练方式相同：

本文提出了一个层次LSTM+Attention模型。作者认为，虽然一篇文章有多个句子组成但真正其关键作用的可能是其中的某几个，因此对各个句子施加了注意力机制，以使得对文章语义贡献较多的句子占有更多的权重。同样的，组成一个句子的单词有多个，但是发挥重要作用的可能就那么几个，因此使用注意力机制以使得重要单词发挥更大的作用，这些便是本文的核心思想。整个网络可分为三层，两个LSTM层分别用来进行word encode和sentence encode，最顶上为一个全连接分类层。若加上两层注意力层，则可认为网络为5层。下面简单聊聊这五层网络的结构：

总体来说，本文看起来还是比较有意思的，符合人阅读文章的习惯，我们写文章的时候也是有中心词和中心句的。但是由于这个层级结构是否会导致训练慢或者不好训练还不得而知。最后，文中还提出对文章按长短先进行排序，长度相似的进入一个batch，这将训练速度加快了3倍。

本文提出了一个基于图神经网络的文本分类方法。该方法的主要思想是将所有文章及其包含的词汇都放到一个图网络里面去，图网络中的节点分为两种类型：单词节点和文章节点。其中连接单词节点和文章节点的边的权重使用TF-IDF来表示，而单词与单词之间边的权重则是使用点互信息（PMI）来表示。点互信息与传统语言模型中的条件概率计算方式非常相似。只不过PMI采用的是滑窗方式而条件概率是直接在所有语料中进行统计，可以认为是将所有语料当做一个大窗口，这时就又与PMI相同了。

A表示图网络的邻接矩阵，表示如下：

GCN同样也是可以含有多层隐藏层的，其各个层的计算方式如下：

其中A'为归一化对称邻接矩阵， W0 ∈ R^(m×k) 为权重矩阵，ρ是激活函数，例如 ReLU ρ(x) = max(0,x) 如前所述，可以通过叠加多个GCN层来合并更高阶的邻域信息：

其中j表示层数。
损失函数定义为所有已标记文档的交叉熵误差:

文中提到Text GCN运行良好的原因有两个方面：

但是其也有一些缺：

总的来说，文章的idea还是挺有意思的，效果也还不错。初识GCN可能还是有一点难以理解，可以参考如下资料进行进一步学习：
基于图卷积网络的文本分类算法
如何理解 Graph Convolutional Network（GCN）？