文本分类笔记

文本情感分类

文本分类是自然语言处理的一个常见任务，它把一段不定长的文本序列变换为文本的类别。本节关注它的一个子问题：使用文本情感分类来分析文本作者的情绪。这个问题也叫情感分析，并有着广泛的应用。

同搜索近义词和类比词一样，文本分类也属于词嵌入的下游应用。在本节中，我们将应用预训练的词向量和含多个隐藏层的双向循环神经网络与卷积神经网络，来判断一段不定长的文本序列中包含的是正面还是负面的情绪。后续内容将从以下几个方面展开：

1. 文本情感分类数据集
2. 使用循环神经网络进行情感分类
3. 使用卷积神经网络进行情感分类

文本情感分类数据

使用斯坦福的IMDb数据集（Stanford’s Large Movie Review Dataset）作为文本情感分类的数据集。

读取数据

数据集文件夹结构：

| aclImdb_v1
    | train
    |   | pos
    |   |   | 0_9.txt  
    |   |   | 1_7.txt
    |   |   | ...
    |   | neg
    |   |   | 0_3.txt
    |   |   | 1_1.txt
    |   | ...
    | test
    |   | pos
    |   | neg
    |   | ...
    | ...

预处理数据

读取数据后，我们先根据文本的格式进行单词的切分，再利用 torchtext.vocab.Vocab 创建词典。

词典和词语的索引创建好后，就可以将数据集的文本从字符串的形式转换为单词下标序列的形式，以待之后的使用。

创建数据迭代器

利用 torch.utils.data.TensorDataset，可以创建 PyTorch 格式的数据集，从而创建数据迭代器。

使用循环神经网络

双向循环神经网络

利用 torch.nn.RNN 或 torch.nn.LSTM 模组，可以很方便地实现双向循环神经网络

加载预训练的词向量

由于预训练词向量的词典及词语索引与我们使用的数据集并不相同，所以需要根据目前的词典及索引的顺序来加载预训练词向量。

训练模型

训练时可以调用之前编写的 train 及 evaluate_accuracy 函数。

使用卷积神经网络

一维卷积层

在介绍模型前我们先来解释一维卷积层的工作原理。与二维卷积层一样，一维卷积层使用一维的互相关运算。在一维互相关运算中，卷积窗口从输入数组的最左方开始，按从左往右的顺序，依次在输入数组上滑动。当卷积窗口滑动到某一位置时，窗口中的输入子数组与核数组按元素相乘并求和，得到输出数组中相应位置的元素。如图所示，输入是一个宽为 7 的一维数组，核数组的宽为 2。可以看到输出的宽度为 7−2+1=6，且第一个元素是由输入的最左边的宽为 2 的子数组与核数组按元素相乘后再相加得到的：0×1+1×2=2。

多输入通道的一维互相关运算也与多输入通道的二维互相关运算类似：在每个通道上，将核与相应的输入做一维互相关运算，并将通道之间的结果相加得到输出结果。下图展示了含 3 个输入通道的一维互相关运算，其中阴影部分为第一个输出元素及其计算所使用的输入和核数组元素：0×1+1×2+1×3+2×4+2×(−1)+3×(−3)=2。

注：反之仅当二维卷积核的高度等于输入的高度时才成立。

之前的例子中输出都只有一个通道。我们在“多输入通道和多输出通道”一节中介绍了如何在二维卷积层中指定多个输出通道。类似地，我们也可以在一维卷积层指定多个输出通道，从而拓展卷积层中的模型参数。

时序最大池化层

类似地，我们有一维池化层。TextCNN 中使用的时序最大池化（max-over-time pooling）层实际上对应一维全局最大池化层：假设输入包含多个通道，各通道由不同时间步上的数值组成，各通道的输出即该通道所有时间步中最大的数值。因此，时序最大池化层的输入在各个通道上的时间步数可以不同。

注：自然语言中还有一些其他的池化操作，可参考这篇博文。

为提升计算性能，我们常常将不同长度的时序样本组成一个小批量，并通过在较短序列后附加特殊字符（如0）令批量中各时序样本长度相同。这些人为添加的特殊字符当然是无意义的。由于时序最大池化的主要目的是抓取时序中最重要的特征，它通常能使模型不受人为添加字符的影响。

TextCNN 模型

TextCNN 模型主要使用了一维卷积层和时序最大池化层。假设输入的文本序列由 n 个词组成，每个词用 d 维的词向量表示。那么输入样本的宽为 n，输入通道数为 d。TextCNN 的计算主要分为以下几步。

1. 定义多个一维卷积核，并使用这些卷积核对输入分别做卷积计算。宽度不同的卷积核可能会捕捉到不同个数的相邻词的相关性。
2. 对输出的所有通道分别做时序最大池化，再将这些通道的池化输出值连结为向量。
3. 通过全连接层将连结后的向量变换为有关各类别的输出。这一步可以使用丢弃层应对过拟合。

下图用一个例子解释了 TextCNN 的设计。这里的输入是一个有 11 个词的句子，每个词用 6 维词向量表示。因此输入序列的宽为 11，输入通道数为 6。给定 2 个一维卷积核，核宽分别为 2 和 4，输出通道数分别设为 4 和 5。因此，一维卷积计算后，4 个输出通道的宽为 11−2+1=10，而其他 5 个通道的宽为 11−4+1=8。尽管每个通道的宽不同，我们依然可以对各个通道做时序最大池化，并将 9 个通道的池化输出连结成一个 9 维向量。最终，使用全连接将 9 维向量变换为 2 维输出，即正面情感和负面情感的预测。

实现 TextCNN 模型，与上一节相比，除了用一维卷积层替换循环神经网络外，这里还使用了两个嵌入层，一个的权重固定，另一个则参与训练。