优化|PLSA理论与实践

2024-01-07 02:20
文章标签 实践 优化 理论 plsa

本文主要是介绍优化|PLSA理论与实践,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

在这里插入图片描述
PLSA又称为概率潜在语义分析,是一种利用概率生成模型对文本集合进行话题分析的无监督学习方法。该模型最大的特点是加入了主题这一隐变量,文本生成主题,主题生成单词,从而得到单词-文本共现矩阵。本文将对包含物理学、计算机科学、统计学、数学四个领域的15000条文献摘要的数据集(保存在Task-Corpus.csv中)使用PLSA算法进行处理。

一、算法推导

1.1 E-steps

设单词集合为 w i ( i = 1 , ⋯ , M ) w_i(i = 1,\cdots,M) wi(i=1,,M),其中 M M M为单词数;文本集合为 d j ( j = 1 , ⋯ , N ) d_j(j = 1,\cdots, N) dj(j=1,,N),其中 N N N为文本数;主题集合为 z k ( k = 1 , ⋯ , K ) z_k(k = 1,\cdots,K) zk(k=1,,K),其中 K K K为主题数。对给定的文本,主题的分布是一个有 K K K个选项的多项分布,因此参数个数为 N × K N\times K N×K,设参数矩阵为 Λ \Lambda Λ。对给定的主题,单词的分布是一个有 M M M个选项的多项分布,因此参数个数为 K × M K\times M K×M,设参数矩阵为 Θ \Theta Θ。一般来说 K ≪ M K \ll M KM,这就避免了模型的过拟合。

如果主题未知,根据全概率公式有
p ( w i , d j ) = p ( d j ) ∑ k = 1 K p ( w i ∣ z k ) p ( z k ∣ d j ) p(w_i, d_j) = p(d_j)\sum_{k = 1}^K p(w_i | z_k)p(z_k | d_j) p(wi,dj)=p(dj)k=1Kp(wizk)p(zkdj)
因此非完全数据(主题未知)的似然函数为
L ( Θ , Λ ∣ X ) = p ( X ∣ Θ ) = ∏ i = 1 M ∏ j = 1 N ( p ( d j ) ∑ k = 1 K p ( w i ∣ z k ) p ( z k ∣ d j ) ) n ( w i , d j ) L(\Theta, \Lambda | X) = p(X | \Theta) = \prod_{i = 1}^M\prod_{j = 1}^N (p(d_j)\sum_{k = 1}^K p(w_i | z_k)p(z_k | d_j))^{n(w_i, d_j)} L(Θ,Λ∣X)=p(X∣Θ)=i=1Mj=1N(p(dj)k=1Kp(wizk)p(zkdj))n(wi,dj)
对数似然为
log ⁡ L ( Θ , Λ ∣ X ) = ∑ i = 1 M ∑ j = 1 N n ( w i , d j ) log ⁡ ( p ( d j ) ∑ k = 1 K p ( w i ∣ z k ) p ( z k ∣ d j ) ) \log L(\Theta, \Lambda | X) = \sum_{i = 1}^M \sum_{j = 1}^N n(w_i, d_j)\log(p(d_j)\sum_{k = 1}^K p(w_i | z_k)p(z_k | d_j)) logL(Θ,Λ∣X)=i=1Mj=1Nn(wi,dj)log(p(dj)k=1Kp(wizk)p(zkdj))
对数似然中包含求和的对数,因此难以处理。

如果主题已知,文章 d j d_j dj出现单词 w i w_i wi的概率为
p ( w i , d j ) = p ( d j ) p ( w i ∣ z k ) p ( z k ∣ d j ) p(w_i, d_j) = p(d_j)p(w_i | z_k)p(z_k | d_j) p(wi,dj)=p(dj)p(wizk)p(zkdj)
因此完全数据的似然函数为
L ( Θ ∣ X ) = ∏ i = 1 M ∏ j = 1 N ( p ( d j ) p ( w i ∣ z k ) p ( z k ∣ d j ) ) n ( w i , d j ) L(\Theta | X) = \prod_{i = 1}^M \prod_{j = 1}^N (p(d_j)p(w_i | z_k)p(z_k | d_j))^{n(w_i, d_j)} L(Θ∣X)=i=1Mj=1N(p(dj)p(wizk)p(zkdj))n(wi,dj)
对数似然为
log ⁡ L ( Θ ∣ X ) = ∑ j = 1 N n ( w i , d j ) log ⁡ ( p ( d j ) p ( w i ∣ z k ) p ( z k ∣ d j ) ) \log L(\Theta | X) =\sum_{j = 1}^N n(w_i, d_j) \log(p(d_j)p(w_i | z_k)p(z_k | d_j)) logL(Θ∣X)=j=1Nn(wi,dj)log(p(dj)p(wizk)p(zkdj))
Q函数为对数似然 log ⁡ L ( Θ ∣ X ) \log L(\Theta | X) logL(Θ∣X)在后验分布 p ( z k ∣ w i , d j ) p(z_k | w_i, d_j) p(zkwi,dj)下的期望
Q = ∑ k = 1 K p ( z k ∣ w i , d j ) ∑ i = 1 M ∑ j = 1 N n ( w i , d j ) log ⁡ ( p ( d j ) p ( w i ∣ z k ) p ( z k ∣ d j ) ) = ∑ i = 1 M ∑ j = 1 N n ( w i , d j ) ∑ k = 1 K p ( z k ∣ w i , d j ) log ⁡ ( p ( d j ) p ( w i ∣ z k ) p ( z k ∣ d j ) ) \begin{aligned}Q &= \sum_{k = 1}^K p(z_k | w_i, d_j) \sum_{i = 1}^M \sum_{j = 1}^N n(w_i, d_j) \log(p(d_j)p(w_i | z_k)p(z_k | d_j)) \\&= \sum_{i = 1}^M \sum_{j = 1}^N n(w_i, d_j)\sum_{k = 1}^K p(z_k | w_i, d_j)\log(p(d_j)p(w_i | z_k)p(z_k | d_j))\end{aligned} Q=k=1Kp(zkwi,dj)i=1Mj=1Nn(wi,dj)log(p(dj)p(wizk)p(zkdj))=i=1Mj=1Nn(wi,dj)k=1Kp(zkwi,dj)log(p(dj)p(wizk)p(zkdj))
其中后验概率
p ( z k ∣ w i , d j ) = p ( w i ∣ z k ) p ( z k ∣ d j ) ∑ k = 1 K p ( w i ∣ z k ) p ( z k ∣ d j ) (1) p(z_k | w_i, d_j) = \frac{p(w_i | z_k) p(z_k | d_j)}{\sum_{k = 1}^K p(w_i | z_k) p(z_k | d_j)}\tag{1} p(zkwi,dj)=k=1Kp(wizk)p(zkdj)p(wizk)p(zkdj)(1)

1.2 M-step

p ( w i ∣ z k ) , p ( z k ∣ d j ) p(w_i | z_k), p(z_k | d_j) p(wizk),p(zkdj)满足约束条件
∑ i = 1 M p ( w i ∣ z k ) = 1 , k = 1 , ⋯ , K \sum_{i = 1}^M p(w_i | z_k) = 1, k = 1,\cdots,K i=1Mp(wizk)=1,k=1,,K
∑ k = 1 K p ( z k ∣ d j ) = 1 , j = 1 , ⋯ , N \sum_{k = 1}^K p(z_k | d_j) = 1,j = 1,\cdots,N k=1Kp(zkdj)=1,j=1,,N
引入拉格朗日函数
J = Q + ∑ k = 1 K r k ( 1 − ∑ i = 1 M p ( w i ∣ z k ) ) + ∑ j = 1 N ρ j ( 1 − ∑ k = 1 K p ( z k ∣ d j ) ) J = Q + \sum_{k = 1}^K r_k(1 - \sum_{i = 1}^M p(w_i | z_k)) + \sum_{j = 1}^N\rho_j(1 - \sum_{k = 1}^K p(z_k | d_j)) J=Q+k=1Krk(1i=1Mp(wizk))+j=1Nρj(1k=1Kp(zkdj))
∂ J ∂ p ∗ ( w i ∣ z k ) = ∑ j = 1 N n ( w i , d j ) p ( z k ∣ w i , d j ) p ( w i ∣ z k ) − r k = 0 \frac{\partial J}{\partial p^*(w_i | z_k)} = \sum_{j = 1}^N \frac{n(w_i, d_j) p(z_k | w_i, d_j)}{p(w_i | z_k)} - r_k = 0 p(wizk)J=j=1Np(wizk)n(wi,dj)p(zkwi,dj)rk=0
因此
r k p ∗ ( w i ∣ z k ) = ∑ j = 1 N n ( w i , d j ) p ( z k ∣ w i , d j ) r_k p^*(w_i | z_k) = \sum_{j = 1}^N n(w_i, d_j) p(z_k | w_i, d_j) rkp(wizk)=j=1Nn(wi,dj)p(zkwi,dj)
i i i求和,就有
r k = ∑ i = 1 M ∑ j = 1 N n ( w i , d j ) p ( z k ∣ w i , d j ) r_k = \sum_{i = 1}^M \sum_{j = 1}^N n(w_i, d_j) p(z_k | w_i, d_j) rk=i=1Mj=1Nn(wi,dj)p(zkwi,dj)
p ∗ ( w i ∣ z k ) = ∑ j = 1 N n ( w i , d j ) p ( z k ∣ w i , d j ) ∑ i = 1 M ∑ j = 1 N n ( w i , d j ) p ( z k ∣ w i , d j ) ( 2 ) p^*(w_i | z_k) = \frac{\sum_{j = 1}^N n(w_i, d_j) p(z_k | w_i, d_j)}{\sum_{i = 1}^M \sum_{j = 1}^N n(w_i, d_j) p(z_k | w_i, d_j)} \qquad (2) p(wizk)=i=1Mj=1Nn(wi,dj)p(zkwi,dj)j=1Nn(wi,dj)p(zkwi,dj)(2)
同理
p ∗ ( z k ∣ d j ) = ∑ j = 1 N n ( w i , d j ) p ( z k ∣ w i , d j ) ∑ i = 1 M n ( w i , d j ) ( 3 ) p^*(z_k | d_j) = \frac{\sum_{j = 1}^N n(w_i, d_j) p(z_k | w_i, d_j)}{\sum_{i = 1}^M n(w_i, d_j)} \qquad (3) p(zkdj)=i=1Mn(wi,dj)j=1Nn(wi,dj)p(zkwi,dj)(3)

( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) (1)(2)(3) (1)(2)(3)三式共同构成PLSA算法的迭代公式。

二、算法实现

用python实现PLSA算法。首先对数据集先做预处理。对给定的文本进行分词,利用wordnet语料库将同义词进行替换(例如单复数不同的词需要替换成同一个词),并将停用词排除(停用词表在网上下载,参见作业中的stopwords.dic文件)。然后对全体文本构成的单词集合进行词频统计,构建词频矩阵 n ( w i , d j ) n(w_i, d_j) n(wi,dj)。这一部分用到了python的nltk包。核心代码如下。

words = set()word_counts = []for document in documents:seglist = word_tokenize(document)wordlist = []for word in seglist:synsets = wordnet.synsets(word)if synsets:syn_word = synsets[0].lemmas()[0].name()if syn_word not in stopwords:wordlist.append(syn_word)else:if word not in stopwords:wordlist.append(word)words = words.union(wordlist)word_counts.append(Counter(wordlist))word2id = {words:id for id, words in enumerate(words)}id2word = dict(enumerate(words))N = len(documents) # number of documentsM = len(words) # number of wordsX = np.zeros((N, M))for i in range(N):for keys in word_counts[i]:X[i, word2id[keys]] = word_counts[i][keys]

然后根据 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) (1)(2)(3) (1)(2)(3)三式进行PLSA算法的编写。注意到这三个式子都可以写成矩阵的形式,提高运算效率。同时注意到这三个式子都和分子成正比,因此可以计算出份子再除以归一化常数即可。E-step的代码如下。

def E_step(lam, theta):# lam: N * K, theta: K * M, p = K * N * MN = lam.shape[0]M = theta.shape[1]lam_reshaped = np.tile(lam, (M, 1, 1)).transpose((2,1,0)) # K * N * Mtheta_reshaped = np.tile(theta, (N, 1, 1)).transpose((1,0,2)) # K * N * Mtemp = lam @ thetap = lam_reshaped * theta_reshaped / tempreturn p

M-step的代码如下。

def M_step(p, X):# p: K * N * M, X: N * M, lam: N * K, theta: K * M# update lamlam = np.sum(p * X, axis=2) # K * Nlam = lam / np.sum(lam, axis=0) # normalization for each columnlam = lam.transpose((1,0)) # N * K# update thetatheta = np.sum(p * X, axis=1) # K * Mtheta = theta / np.sum(theta, axis=1)[:, np.newaxis] # normalization for each rowreturn lam, theta

计算对数似然的代码如下。

def LogLikelihood(p, X, lam, theta):# p: K * N * M, X: N * M, lam: N * K, theta: K * Mres = np.sum(X * np.log(lam @ theta)) # N * Mreturn res

用随机数初始化 Θ , Λ \Theta,\Lambda Θ,Λ以避免落入局部最优。设定最大迭代次数为200。对数似然的阈值为10。当相邻两次对数似然的差小于阈值或者达到最大迭代次数时停止迭代。如果计算对数似然时报错,说明某个参数被舍入到0,此时也需要停止迭代。

三、结果分析

由于笔记本电脑的内存有限,从所给数据集中随机抽取1000篇文本进行实验。设定主题数为4。某次实验的结果如下。构建的字典中包含11342个单词。字典保存在dictionary.json文件中。

程序在迭代152次后停止。可以看到对数似然确实在不断上升。

每个文本的主题分布保存在DocTopicDistribution.csv文件中。每个主题的单词分布保存在TopicWordDistribution.csv文件中。每个主题中出现概率最高的9个单词保存在topics.txt文件中,如下图所示。可以看到出现概率最高的单词分别为astatine, network, Associate_in_Nursing, algorithm,分别对应了物理学、计算机科学、统计学、数学四个领域。这证明了PLSA方法的有效性。

项目开源

本项目开源在kungfu-crab/PLSA: A python implementation for PLSA(Probabilistic Latent Semantic Analysis) using EM algorithm. (github.com),仅作为学习交流使用,禁止转载与抄袭。

参考文献

[1] Hofmann, T. (1999). Probabilistic Latent Semantic Analysis. In Proceedings of the Fifteenth Conference on Uncertainty in Artificial Intelligence (pp. 289-296). Morgan Kaufmann Publishers Inc.

这篇关于优化|PLSA理论与实践的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/578404

相关文章

SpringBoot3实现Gzip压缩优化的技术指南

《SpringBoot3实现Gzip压缩优化的技术指南》随着Web应用的用户量和数据量增加,网络带宽和页面加载速度逐渐成为瓶颈,为了减少数据传输量,提高用户体验,我们可以使用Gzip压缩HTTP响应,... 目录1、简述2、配置2.1 添加依赖2.2 配置 Gzip 压缩3、服务端应用4、前端应用4.1 N

Spring Boot + MyBatis Plus 高效开发实战从入门到进阶优化(推荐)

《SpringBoot+MyBatisPlus高效开发实战从入门到进阶优化(推荐)》本文将详细介绍SpringBoot+MyBatisPlus的完整开发流程,并深入剖析分页查询、批量操作、动... 目录Spring Boot + MyBATis Plus 高效开发实战:从入门到进阶优化1. MyBatis

MyBatis 动态 SQL 优化之标签的实战与技巧(常见用法)

《MyBatis动态SQL优化之标签的实战与技巧(常见用法)》本文通过详细的示例和实际应用场景,介绍了如何有效利用这些标签来优化MyBatis配置,提升开发效率,确保SQL的高效执行和安全性,感... 目录动态SQL详解一、动态SQL的核心概念1.1 什么是动态SQL?1.2 动态SQL的优点1.3 动态S

Spring Boot 配置文件之类型、加载顺序与最佳实践记录

《SpringBoot配置文件之类型、加载顺序与最佳实践记录》SpringBoot的配置文件是灵活且强大的工具,通过合理的配置管理,可以让应用开发和部署更加高效,无论是简单的属性配置,还是复杂... 目录Spring Boot 配置文件详解一、Spring Boot 配置文件类型1.1 applicatio

Python如何使用__slots__实现节省内存和性能优化

《Python如何使用__slots__实现节省内存和性能优化》你有想过,一个小小的__slots__能让你的Python类内存消耗直接减半吗,没错,今天咱们要聊的就是这个让人眼前一亮的技巧,感兴趣的... 目录背景:内存吃得满满的类__slots__:你的内存管理小助手举个大概的例子:看看效果如何?1.

一文详解SpringBoot响应压缩功能的配置与优化

《一文详解SpringBoot响应压缩功能的配置与优化》SpringBoot的响应压缩功能基于智能协商机制,需同时满足很多条件,本文主要为大家详细介绍了SpringBoot响应压缩功能的配置与优化,需... 目录一、核心工作机制1.1 自动协商触发条件1.2 压缩处理流程二、配置方案详解2.1 基础YAML

tomcat多实例部署的项目实践

《tomcat多实例部署的项目实践》Tomcat多实例是指在一台设备上运行多个Tomcat服务,这些Tomcat相互独立,本文主要介绍了tomcat多实例部署的项目实践,具有一定的参考价值,感兴趣的可... 目录1.创建项目目录,测试文China编程件2js.创建实例的安装目录3.准备实例的配置文件4.编辑实例的

Python 中的异步与同步深度解析(实践记录)

《Python中的异步与同步深度解析(实践记录)》在Python编程世界里,异步和同步的概念是理解程序执行流程和性能优化的关键,这篇文章将带你深入了解它们的差异,以及阻塞和非阻塞的特性,同时通过实际... 目录python中的异步与同步:深度解析与实践异步与同步的定义异步同步阻塞与非阻塞的概念阻塞非阻塞同步

Python Dash框架在数据可视化仪表板中的应用与实践记录

《PythonDash框架在数据可视化仪表板中的应用与实践记录》Python的PlotlyDash库提供了一种简便且强大的方式来构建和展示互动式数据仪表板,本篇文章将深入探讨如何使用Dash设计一... 目录python Dash框架在数据可视化仪表板中的应用与实践1. 什么是Plotly Dash?1.1

MySQL中慢SQL优化的不同方式介绍

《MySQL中慢SQL优化的不同方式介绍》慢SQL的优化,主要从两个方面考虑,SQL语句本身的优化,以及数据库设计的优化,下面小编就来给大家介绍一下有哪些方式可以优化慢SQL吧... 目录避免不必要的列分页优化索引优化JOIN 的优化排序优化UNION 优化慢 SQL 的优化,主要从两个方面考虑,SQL 语