一种基于 Numpy 的 TF-IDF 实现报告

摘要

本文使用了一种 state-of-the-art 的矩阵表示方法来计算每个词在每篇文章上的 TF-IDF 权重（特征）。本文还将介绍基于 TF-IDF 的文档相似度查询方法。

系统介绍

本节将着重介绍我的 TF-IDF 系统使用方法。

本系统由以下五部分组成

utility.py - 自己写的常用库函数封装
merge.py - 把白老师给的4个excel表格合并成一个excel表格
extraction.py - 从合并后的excel表格中抽取“公众号名称”、“文章标题”和“文章内容”，然后将这些内容分词然后合并
tf-idf.py - 基于合并、分词后的语料计算其每一个在每一个文档上的TF-IDF特征值，得到一个二维矩阵。本系统使用了一种 state-of-the-art 的二维矩阵存储方式，本文后面的章节将着重介绍。
query.py - 基于离线计算好的tf-idf特征，返回与该查询最接近的文档。

系统操作流程

Step 1. 合并 N 张Excel表格，将会得到 corpus.xls

python3 merge.py

Step 2. 基于 corpus.xls 进行二次抽取、分词、合并，得到分词后的文档集合 docs.txt

python3 extraction.py

Step 3. 基于 docs.txt 得到词汇表，然后计算每一个词在每一个文档上的 TF-IDF 特征。截至到该步骤，目前进行的处理都属于离线的（off-line），也即预先生成好的，在用户提交具体查询时将不再进行运行以上步骤的查询。所以需要把一些必要的数据保存下来，以备在线程序（on-line）直接采用 [3]。

执行本程序后，会得到词表文件 vocab.txt，TF-IDF特征文件 tf-idf.npy

python3 TF-IDF.py

Step 4. 基于用户的查询返回结果

python3 query.py

TF-IDF

数学公式计算公式为：
\[ TF_{term} = \frac{count(term)}{len(doc)} = \frac{关键词在文档中出现的次数}{文档总次数} \quad（相当于把 TF 进行了归一化)\\ IDF_{term} = \log{\frac{D}{D_w}} = \log\frac{总文档数}{含有关键词的文档数} \\ TF \cdot IDF_{term} = TF_{term} \times IDF_{term} \]

计算 TF-IDF 的例子

该例子的灵感受启发于文献[1]

假设我们有如下三个文档：

人工智能的应用
机器学习与人工智能
自然语言处理的应用

我们想要得到每个词在每篇文档上的 TF-IDF 权重，我们首先要得到 TF 表格，如下表所示

文档 TF 词汇	人工智能	的	应用	机器学习	与	自然语言处理
doc 1	1	1	1
doc 2	1			1	1
doc 3		1	1			1

然后要求得 IDF 表格，如下表所示（log1.5 = 0.18, log3=0.48）

文档 IDF 词汇	人工智能	的	应用	机器学习	与	自然语言处理
doc 1	log1.5=0.18	log1.5=0.18	log1.5=0.18
doc 2	log1.5=0.18			log3=0.48	log3=0.48
doc 3		log1.5=0.18	log1.5=0.18			log3=0.48

最后求得 TF-IDF 表格，如下表所示

文档 TF-IDF 词汇	人工智能	的	应用	机器学习	与	自然语言处理
doc 1	0.18	0.18	0.18
doc 2	0.18			0.48	0.48
doc 3		0.18	0.18			0.48

找出与查询最相似的文档

如何找出与查询(query)最相似的文档呢？

文献[1] 给出了一种计算方法，比如我们要查询 “人工智能与自然语言处理”，三个文档的TF-IDF值分别为
\[ \begin{align} TF-IDF_{doc1} &=0.18 + 0 + 0 &= 0.18 \\ TF-IDF_{doc2} &=0.18 + 0.48 + 0 &= 0.66 \\ TF-IDF_{doc3} &=0 + 0 + 0.48& = 0.48 \end{align} \]
于是得到文档与查询（人工智能与自然语言处理）的相似度排序为：

doc2 > doc3 > doc1

Python中的二维矩阵表示方法

基于二维数组的方法

声明一个三行两列的矩阵，传统的基于二维数组表示方法为

row = 3
col = 2
matrix = [[0 for c in range(col)] for r in range(row)]

这种方法的缺点有：

占用内存大
代码复杂
没有相关配套库函数支持

基于 Numpy

基于numpy的方法有很多好处：

占用内存小（底层是使用C语言写成的Python拓展）
API简单
强大的相关库函数支持
程序健壮、代码短少、易于调试等等

声明一个三行两列的矩阵，代码如下

import numpy as np
matrix = np.zeros(shape=[3,2])

基于 Numpy 实现的 TF-IDF 程序详解

def tf(table, vocab, docs):
    for r in range(len(docs)):
        for w in docs[r]:
            c = vocab.index(w)
            table[r][c] = table[r][c] + 1 #numpy的矩阵的元素存取方式与二维数组无异，都是用[]操作符
        table[r] = table[r] / len(docs[r]) #table[r]取第r行的一整行数据，其每个元素均除以同一个数
    return table


def idf(table, D):
    for c in range(table.shape[1]): #shape返回一个元组——（行，列）
        tf = table[:, c]  #以行的形式，返回第c列
        Dw = np.count_nonzero(tf)  #计算向量/矩阵中非零元素的数目
        idf = math.log(D/Dw) 
        table[:, c] = table[:, c] * idf #以列的形式返回第c列
    return table


table = np.zeros(shape=(len(docs), len(vocab)))  #声明矩阵，行数是文档总数，列数是词汇总数
table = tf(table, vocab, docs) 
table = idf(table, len(docs))

参考文献

[1] 吴军. 《数学之美（第二版）》. 人民邮电出版社[M]

[2] 白宇. 信息检索概述KERC2016. [PPT]

[3] Mark Allen Weiss(美). 冯舜玺(译). 《数据结构与算法分析——C语言描述》. 2004. 机械工业出版社[M]