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# 词的相似性和类比任务

🏷 sec_synonyms

在 :numref: sec_word2vec_pretraining 中，我们在一个小的数据集上训练了一个 word2vec 模型，并使用它为一个输入词寻找语义相似的词。实际上，在大型语料库上预先训练的词向量可以应用于下游的自然语言处理任务，这将在后面的 :numref: chap_nlp_app 中讨论。为了直观地演示大型语料库中预训练词向量的语义，让我们将预训练词向量应用到词的相似性和类比任务中。

import os
import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l

# 加载预训练词向量

以下列出维度为 50、100 和 300 的预训练 GloVe 嵌入，可从 GloVe 网站下载。预训练的 fastText 嵌入有多种语言。这里我们使用可以从 fastText 网站下载 300 维度的英文版本（“wiki.en”）。

#@save
d2l.DATA_HUB['glove.6b.50d'] = (d2l.DATA_URL + 'glove.6B.50d.zip',
                                '0b8703943ccdb6eb788e6f091b8946e82231bc4d')
#@save
d2l.DATA_HUB['glove.6b.100d'] = (d2l.DATA_URL + 'glove.6B.100d.zip',
                                 'cd43bfb07e44e6f27cbcc7bc9ae3d80284fdaf5a')
#@save
d2l.DATA_HUB['glove.42b.300d'] = (d2l.DATA_URL + 'glove.42B.300d.zip',
                                  'b5116e234e9eb9076672cfeabf5469f3eec904fa')
#@save
d2l.DATA_HUB['wiki.en'] = (d2l.DATA_URL + 'wiki.en.zip',
                           'c1816da3821ae9f43899be655002f6c723e91b88')
为了加载这些预训练的 GloVe 和 fastText 嵌入，我们定义了以下 TokenEmbedding 类。
#@save
class TokenEmbedding:
    """GloVe嵌入"""
    def __init__(self, embedding_name):
        self.idx_to_token, self.idx_to_vec = self._load_embedding(
            embedding_name)
        self.unknown_idx = 0
        self.token_to_idx = {token: idx for idx, token in
                             enumerate(self.idx_to_token)}
    def _load_embedding(self, embedding_name):
        idx_to_token, idx_to_vec = ['<unk>'], []
        data_dir = d2l.download_extract(embedding_name)
        # GloVe 网站：https://nlp.stanford.edu/projects/glove/
        # fastText 网站：https://fasttext.cc/
        with open(os.path.join(data_dir, 'vec.txt'), 'r') as f:
            for line in f:
                elems = line.rstrip().split(' ')
                token, elems = elems[0], [float(elem) for elem in elems[1:]]
                # 跳过标题信息，例如 fastText 中的首行
                if len(elems) > 1:
                    idx_to_token.append(token)
                    idx_to_vec.append(elems)
        idx_to_vec = [[0] * len(idx_to_vec[0])] + idx_to_vec
        return idx_to_token, torch.tensor(idx_to_vec)
    def __getitem__(self, tokens):
        indices = [self.token_to_idx.get(token, self.unknown_idx)
                   for token in tokens]
        vecs = self.idx_to_vec[torch.tensor(indices)]
        return vecs
    def __len__(self):
        return len(self.idx_to_token)
下面我们加载 50 维 GloVe 嵌入（在维基百科的子集上预训练）。创建 TokenEmbedding 实例时，如果尚未下载指定的嵌入文件，则必须下载该文件。
glove_6b50d = TokenEmbedding('glove.6b.50d')
Downloading ../data/glove.6B.50d.zip from http://d2l-data.s3-accelerate.amazonaws.com/glove.6B.50d.zip...

输出词表大小。词表包含 400000 个词（词元）和一个特殊的未知词元。
len(glove_6b50d)
400001

我们可以得到词表中一个单词的索引，反之亦然。
glove_6b50d.token_to_idx['beautiful'], glove_6b50d.idx_to_token[3367]
(3367, 'beautiful')

# 应用预训练词向量
使用加载的 GloVe 向量，我们将通过下面的词相似性和类比任务中来展示词向量的语义。
# 词相似度
与 :numref: subsec_apply-word-embed 类似，为了根据词向量之间的余弦相似性为输入词查找语义相似的词，我们实现了以下 knn （kk 近邻）函数。
def knn(W, x, k):
    # 增加 1e-9 以获得数值稳定性
    cos = torch.mv(W, x.reshape(-1,)) / (
        torch.sqrt(torch.sum(W * W, axis=1) + 1e-9) *
        torch.sqrt((x * x).sum()))
    _, topk = torch.topk(cos, k=k)
    return topk, [cos[int(i)] for i in topk]
然后，我们使用 TokenEmbedding 的实例 embed 中预训练好的词向量来搜索相似的词。
def get_similar_tokens(query_token, k, embed):
    topk, cos = knn(embed.idx_to_vec, embed[[query_token]], k + 1)
    for i, c in zip(topk[1:], cos[1:]):  # 排除输入词
        print(f'{embed.idx_to_token[int(i)]}：cosine相似度={float(c):.3f}')
glove_6b50d 中预训练词向量的词表包含 400000 个词和一个特殊的未知词元。排除输入词和未知词元后，我们在词表中找到与 “chip” 一词语义最相似的三个词。
get_similar_tokens('chip', 3, glove_6b50d)
chips：cosine相似度=0.856
intel：cosine相似度=0.749
electronics：cosine相似度=0.749

下面输出与 “baby” 和 “beautiful” 相似的词。
get_similar_tokens('baby', 3, glove_6b50d)
babies：cosine相似度=0.839
boy：cosine相似度=0.800
girl：cosine相似度=0.792

get_similar_tokens('beautiful', 3, glove_6b50d)
lovely：cosine相似度=0.921
gorgeous：cosine相似度=0.893
wonderful：cosine相似度=0.830

# 词类比
除了找到相似的词，我们还可以将词向量应用到词类比任务中。
例如，“man” : “woman” :: “son” : “daughter” 是一个词的类比。
“man” 是对 “woman” 的类比，“son” 是对 “daughter” 的类比。
具体来说，词类比任务可以定义为：
对于单词类比a:b::c:da : b :: c : d，给出前三个词aa、bb 和cc，找到dd。
用vec(w)\text{vec}(w) 表示词ww 的向量，
为了完成这个类比，我们将找到一个词，
其向量与vec(c)+vec(b)−vec(a)\text{vec}(c)+\text{vec}(b)-\text{vec}(a) 的结果最相似。
def get_analogy(token_a, token_b, token_c, embed):
    vecs = embed[[token_a, token_b, token_c]]
    x = vecs[1] - vecs[0] + vecs[2]
    topk, cos = knn(embed.idx_to_vec, x, 1)
    return embed.idx_to_token[int(topk[0])]  # 删除未知词
让我们使用加载的词向量来验证 “male-female” 类比。
get_analogy('man', 'woman', 'son', glove_6b50d)
'daughter'

下面完成一个 “首都 - 国家” 的类比：
“beijing” : “china” :: “tokyo” : “japan”。
这说明了预训练词向量中的语义。
get_analogy('beijing', 'china', 'tokyo', glove_6b50d)
'japan'

另外，对于 “bad” : “worst” :: “big” : “biggest” 等 “形容词 - 形容词最高级” 的比喻，预训练词向量可以捕捉到句法信息。
get_analogy('bad', 'worst', 'big', glove_6b50d)
'biggest'

为了演示在预训练词向量中捕捉到的过去式概念，我们可以使用 “现在式 - 过去式” 的类比来测试句法：“do” : “did” :: “go” : “went”。
get_analogy('do', 'did', 'go', glove_6b50d)
'went'

# 小结
  • 在实践中，在大型语料库上预先练的词向量可以应用于下游的自然语言处理任务。
  • 预训练的词向量可以应用于词的相似性和类比任务。
# 练习
  1. 使用 TokenEmbedding('wiki.en') 测试 fastText 结果。
  2. 当词表非常大时，我们怎样才能更快地找到相似的词或完成一个词的类比呢？
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