【NLP】基于机器学习的文本分类!
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2020-08-12 05:56
本文主要基于机器学习的方法,介绍了特征提取+分类模型在文本分类中的应用。具体目录如下:
https://tianchi.aliyun.com/competition/entrance/531810/information(阿里天池-零基础入门NLP赛事)
二、文本表示方法
在机器学习算法的训练过程中,假设给定个样本,每个样本有个特征,这样就组成了的样本矩阵。在计算机视觉中可以把图片的像素看作特征,每张图片都可以视为的特征图,然后用一个三维矩阵带入计算。
2.1 One-hot
句子1:我 爱 北 京 天 安 门
句子2:我 喜 欢 上 海
首先对句子中的所有字进行索引
{'我': 1, '爱': 2, '北': 3, '京': 4, '天': 5, '安': 6, '门': 7, '喜': 8, '欢': 9, '上': 10, '海': 11}
一共11个字,因此每个字可以转换为一个11维的稀疏向量:
我:[1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
爱:[0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
...
海:[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1]
2.2 Bags of Words
句子1:我 爱 北 京 天 安 门
句子2:我 喜 欢 上 海
直接统计每个字出现的次数,并进行赋值:
句子1:我 爱 北 京 天 安 门
转换为 [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0]
句子2:我 喜 欢 上 海
转换为 [1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1]
可以利用sklearn的CountVectorizer来实现这一步骤。
from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer
corpus = [
'This is the first document.',
'This document is the second document.',
'And this is the third one.',
'Is this the first document?',
]
vectorizer = CountVectorizer()
vectorizer.fit_transform(corpus).toarray()
输出为:
[[0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1],
[0, 2, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1],
[1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1],
[0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1]]
2.3 N-gram
N-gram与Count Vectors类似,不过加入了相邻单词组合为新的单词,并进行计数。如果N取值为2,则句子1和句子2就变为:
句子1:我爱 爱北 北京 京天 天安 安门
句子2:我喜 喜欢 欢上 上海
2.4 TF-IDF
三、基于机器学习的文本分类
接下来我们将研究文本表示对算法精度的影响,对比同一分类算法在不同文本表示下的算法精度,通过本地构建验证集计算F1得分。
3.1 导入相关的包
import pandas as pd
import numpy as np
from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer
from sklearn.feature_extraction.text import TfidfVectorizer
from sklearn.linear_model import RidgeClassifier
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.metrics import f1_score
3.2 读取数据
train_df = pd.read_csv('./data/train_set.csv', sep='\t', nrows=15000)
3.3 文本分类对比
3.3.1 Count Vectors + RidgeClassifier
vectorizer = CountVectorizer(max_features=3000)
train_test = vectorizer.fit_transform(train_df['text'])
clf = RidgeClassifier()
clf.fit(train_test[:10000], train_df['label'].values[:10000])
val_pred = clf.predict(train_test[10000:])
print(f1_score(train_df['label'].values[10000:], val_pred, average='macro'))
输出为.
3.3.2 TF-IDF + RidgeClassifier
tfidf = TfidfVectorizer(ngram_range=(1,3), max_features=3000)
train_test = tfidf.fit_transform(train_df['text'])
clf = RidgeClassifier()
clf.fit(train_test[:10000], train_df['label'].values[:10000])
val_pred = clf.predict(train_test[10000:])
print(f1_score(train_df['label'].values[10000:], val_pred, average='macro'))
输出为.
四、研究参数对模型的影响
4.1 正则化参数对模型的影响
取大小为5000的样本,保持其他参数不变,令从0.15增加至1.5,画出关于和的图像
sample = train_df[0:5000]
n = int(2*len(sample)/3)
tfidf = TfidfVectorizer(ngram_range=(2,3), max_features=2500)
train_test = tfidf.fit_transform(sample['text'])
train_x = train_test[:n]
train_y = sample['label'].values[:n]
test_x = train_test[n:]
test_y = sample['label'].values[n:]
f1 = []
for i in range(10):
clf = RidgeClassifier(alpha = 0.15*(i+1), solver = 'sag')
clf.fit(train_x, train_y)
val_pred = clf.predict(test_x)
f1.append(f1_score(test_y, val_pred, average='macro'))
plt.plot([0.15*(i+1) for i in range(10)], f1)
plt.xlabel('alpha')
plt.ylabel('f1_score')
plt.show()
结果如下:
可以看出不宜取的过大,也不宜过小。越小模型的拟合能力越强,泛化能力越弱,越大模型的拟合能力越差,泛化能力越强。
4.2 max_features对模型的影响
分别取max_features的值为1000、2000、3000、4000,研究max_features对模型精度的影响
f1 = []
features = [1000,2000,3000,4000]
for i in range(4):
tfidf = TfidfVectorizer(ngram_range=(2,3), max_features=features[i])
train_test = tfidf.fit_transform(sample['text'])
train_x = train_test[:n]
train_y = sample['label'].values[:n]
test_x = train_test[n:]
test_y = sample['label'].values[n:]
clf = RidgeClassifier(alpha = 0.1*(i+1), solver = 'sag')
train_y)
val_pred = clf.predict(test_x)
val_pred, average='macro'))
f1)
plt.xlabel('max_features')
plt.ylabel('f1_score')
plt.show()
结果如下:
可以看出max_features越大模型的精度越高,但是当max_features超过某个数之后,再增加max_features的值对模型精度的影响就不是很显著了。
4.3 ngram_range对模型的影响
n-gram提取词语字符数的下边界和上边界,考虑到中文的用词习惯,ngram_range可以在(1,4)之间选取
f1 = []
tfidf = TfidfVectorizer(ngram_range=(1,1), max_features=2000)
train_test = tfidf.fit_transform(sample['text'])
train_x = train_test[:n]
train_y = sample['label'].values[:n]
test_x = train_test[n:]
test_y = sample['label'].values[n:]
clf = RidgeClassifier(alpha = 0.1*(i+1), solver = 'sag')
clf.fit(train_x, train_y)
val_pred = clf.predict(test_x)
f1.append(f1_score(test_y, val_pred, average='macro'))
tfidf = TfidfVectorizer(ngram_range=(2,2), max_features=2000)
train_test = tfidf.fit_transform(sample['text'])
train_x = train_test[:n]
train_y = sample['label'].values[:n]
test_x = train_test[n:]
test_y = sample['label'].values[n:]
clf = RidgeClassifier(alpha = 0.1*(i+1), solver = 'sag')
clf.fit(train_x, train_y)
val_pred = clf.predict(test_x)
f1.append(f1_score(test_y, val_pred, average='macro'))
tfidf = TfidfVectorizer(ngram_range=(3,3), max_features=2000)
train_test = tfidf.fit_transform(sample['text'])
train_x = train_test[:n]
train_y = sample['label'].values[:n]
test_x = train_test[n:]
test_y = sample['label'].values[n:]
clf = RidgeClassifier(alpha = 0.1*(i+1), solver = 'sag')
clf.fit(train_x, train_y)
val_pred = clf.predict(test_x)
f1.append(f1_score(test_y, val_pred, average='macro'))
tfidf = TfidfVectorizer(ngram_range=(1,3), max_features=2000)
train_test = tfidf.fit_transform(sample['text'])
train_x = train_test[:n]
train_y = sample['label'].values[:n]
test_x = train_test[n:]
test_y = sample['label'].values[n:]
clf = RidgeClassifier(alpha = 0.1*(i+1), solver = 'sag')
clf.fit(train_x, train_y)
val_pred = clf.predict(test_x)
f1.append(f1_score(test_y, val_pred, average='macro'))
输出如下
ngram_range取(1,3)的效果较好。
五、考虑其他分类模型
5.1 LogisticRegression
LogisticRegression的目标函数为:
from sklearn import linear_model
tfidf = TfidfVectorizer(ngram_range=(1,3), max_features=5000)
train_test = tfidf.fit_transform(train_df['text']) # 词向量 15000*max_features
reg = linear_model.LogisticRegression(penalty='l2', C=1.0,solver='liblinear')
reg.fit(train_test[:10000], train_df['label'].values[:10000])
val_pred = reg.predict(train_test[10000:])
print('预测结果中各类新闻数目')
print(pd.Series(val_pred).value_counts())
print('\n F1 score为')
print(f1_score(train_df['label'].values[10000:], val_pred, average='macro'))
输出为0.846470490043.
5.2 SGDClassifier
SGDClassifier使用mini-batch来做梯度下降,在处理大数据的情况下收敛更快
tfidf = TfidfVectorizer(ngram_range=(1,3), max_features=5000)
train_test = tfidf.fit_transform(train_df['text']) # 词向量 15000*max_features
reg = linear_model.SGDClassifier(loss="log", penalty='l2', alpha=0.0001,l1_ratio=0.15)
reg.fit(train_test[:10000], train_df['label'].values[:10000])
val_pred = reg.predict(train_test[10000:])
print('预测结果中各类新闻数目')
print(pd.Series(val_pred).value_counts())
print('\n F1 score为')
print(f1_score(train_df['label'].values[10000:], val_pred, average='macro'))
输出为0.847267047346
5.3 SVM
from sklearn import svm
tfidf = TfidfVectorizer(ngram_range=(1,3), max_features=5000)
train_test = tfidf.fit_transform(train_df['text']) # 词向量 15000*max_features
reg = svm.SVC(C=1.0, kernel='linear', degree=3, gamma='auto',decision_function_shape='ovr')
reg.fit(train_test[:10000], train_df['label'].values[:10000])
val_pred = reg.predict(train_test[10000:])
print('预测结果中各类新闻数目')
print(pd.Series(val_pred).value_counts())
print('\n F1 score为')
print(f1_score(train_df['label'].values[10000:], val_pred, average='macro'))
输出为0.884240695943.
对比几种机器学习算法可以看出,在相同的TF-IDF特征提取方法基础上,用SVM得到的分类效果最好。
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