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编译：伯乐在线 - Ree Ray
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情感分析（Sentiment analysis）是自然语言处理（NLP）方法中常见的应用，尤其是以提炼文本情绪内容为目的的分类。利用情感分析这样的方法，可以通过情感评分对定性数据进行定量分析。虽然情感充满了主观性，但情感定量分析已经有许多实用功能，例如企业藉此了解用户对产品的反映，或者判别在线评论中的仇恨言论。
情感分析最简单的形式就是借助包含积极和消极词的字典。每个词在情感上都有分值，通常 +1 代表积极情绪，-1 代表消极。接着，我们简单累加句子中所有词的情感分值来计算最终的总分。显而易见，这样的做法存在许多缺陷，最重要的就是忽略了语境（context）和邻近的词。例如一个简单的短语“not good”最终的情感得分是 0，因为“not”是 -1，“good”是 +1。正常人会将这个短语归类为消极情绪，尽管有“good”的出现。
另一个常见的做法是以文本进行“词袋（bag of words）”建模。我们把每个文本视为 1 到 N 的向量，N 是所有词汇（vocabulary）的大小。每一列是一个词，对应的值是这个词出现的次数。比如说短语“bag of bag of words”可以编码为 [2, 2, 1]。这个值可以作为诸如逻辑回归（logistic regression）、支持向量机（SVM）的机器学习算法的输入，以此来进行分类。这样可以对未知的（unseen）数据进行情感预测。注意这需要已知情感的数据通过监督式学习的方式（supervised fashion）来训练。虽然和前一个方法相比有了明显的进步，但依然忽略了语境，而且数据的大小会随着词汇的大小增加。
Word2Vec 和 Doc2Vec
近几年，Google 开发了名为 Word2Vec 新方法，既能获取词的语境，同时又减少了数据大小。Word2Vec 实际上有两种不一样的方法：CBOW（Continuous Bag of Words，连续词袋）和 Skip-gram。对于 CBOW，目标是在给定邻近词的情况下预测单独的单词。Skip-gram 则相反：我们希望给定一个单独的词（见图 1）来预测某个范围的词。两个方法都使用人工神经网络（Artificial Neural Networks）来作为它们的分类算法。首先，词汇表中的每个单词都是随机的 N 维向量。在训练过程中，算法会利用 CBOW 或者 Skip-gram 来学习每个词的最优向量。
图 1：CBOW 以及 Skip-Gram 结构图，选自《Efficient Estimation of Word Representations in Vector Space》。W(t) 代表当前的单词，而w(t-2)， w(t-1) 等则是邻近的单词。
这些词向量现在可以考虑到上下文的语境了。这可以看作是利用基本的代数式来挖掘词的关系（例如：“king” – “man” + “woman” = “queen”）。这些词向量可以作为分类算法的输入来预测情感，有别于词袋模型的方法。这样的优势在于我们可以联系词的语境，并且我们的特征空间（feature space）的维度非常低（通常约为 300，相对于约为 100000 的词汇）。在神经网络提取出这些特征之后，我们还必须手动创建一小部分特征。由于文本长度不一，将以全体词向量的均值作为分类算法的输入来归类整个文档。
然而，即使使用了上述对词向量取均值的方法，我们仍然忽略了词序。Quoc Le 和 Tomas Mikolov 提出了 Doc2Vec 的方法对长度不一的文本进行描述。这个方法除了在原有基础上添加 paragraph / document 向量以外，基本和 Word2Vec 一致，也存在两种方法：DM（Distributed Memory，分布式内存）和分布式词袋（DBOW）。DM 试图在给定前面部分的词和 paragraph 向量来预测后面单独的单词。即使文本中的语境在变化，但 paragraph 向量不会变化，并且能保存词序信息。DBOW 则利用paragraph 来预测段落中一组随机的词（见图 2）。
图 2: Doc2Vec 方法结构图，选自《Distributed Representations of Sentences and Documents》。
一旦经过训练，paragraph 向量就可以作为情感分类器的输入而不需要所有单词。这是目前对 IMDB 电影评论数据集进行情感分类最先进的方法，错误率只有 7.42%。当然，如果这个方法不实用，说这些都没有意义。幸运的是，一个 Python 第三方库 gensim 提供了 Word2Vec 和 Doc2Vec 的优化版本。
基于 Python 的 Word2Vec 举例
在本节我们将会展示怎么在情感分类任务中使用词向量。gensim 这个库是 Anaconda 发行版中的标配，你同样可以利用 pip 来安装。利用它你可以在自己的语料库（一个文档数据集）中训练词向量或者导入 C text 或二进制格式的已经训练好的向量。
from
gensim
.
models
.
word2vec
import
Word2Vec
model
=
Word2Vec
.
load_word2vec_format
(
'vectors.txt'
,
binary
=
False
)
#C text 格式
model
=
Word2Vec
.
load_word2vec_format
(
'vectors.bin'
,
binary
=
True
)
#二进制格式
我发现读取谷歌已经训练好的词向量尤其管用，这些向量来自谷歌新闻（Google News），由超过千亿级别的词训练而成，“已经训练过的词和短语向量”可以在这里找到。注意未压缩的文件有 3.5 G。通过 Google 词向量我们能够发现词与词之间有趣的关联：
from
gensim
.
models
.
word2vec
import
Word2Vec
model
=
Word2Vec
.
load_word2vec_format
(
'GoogleNews-vectors-negative300.bin'
,
binary
=
True
)
model
.
most_similar
(
positive
=
[
'woman'
,
'king'
],
negative
=
[
'man'
],
topn
=
5
)
[(
u
'queen'
,
0.711819589138031
),
(
u
'monarch'
,
0.618967592716217
),
(
u
'princess'
,
0.5902432799339294
),
(
u
'crown_prince'
,
0.5499461889266968
),
(
u
'prince'
,
0.5377323031425476
)]
有趣的是它可以发现语法关系，例如识别最高级（superlatives）和动词词干（stems）：
“biggest” – “big” + “small” = “smallest”
model
.
most_similar
(
positive
=
[
'biggest'
,
'small'
],
negative
=
[
'big'
],
topn
=
5
)
[(
u
'smallest'
,
0.6086569428443909
),
(
u
'largest'
,
0.6007465720176697
),
(
u
'tiny'
,
0.5387299656867981
),
(
u
'large'
,
0.456944078207016
),
(
u
'minuscule'
,
0.43401968479156494
)]
“ate” – “eat” + “speak” = “spoke”
model
.
most_similar
(
positive
=
[
'ate'
,
'speak'
],
negative
=
[
'eat'
],
topn
=
5
)
[(
u
'spoke'
,
0.6965223550796509
),
(
u
'speaking'
,
0.6261293292045593
),
(
u
'conversed'
,
0.5754593014717102
),
(
u
'spoken'
,
0.570488452911377
),
(
u
'speaks'
,
0.5630602240562439
)]
由以上例子可以清楚认识到 Word2Vec 能够学习词与词之间的有意义的关系。这也就是为什么它对于许多 NLP 任务有如此大的威力，包括在本文中的情感分析。在我们用它解决起情感分析问题以前，让我们先测试一下 Word2Vec 对词分类（separate）和聚类（cluster）的本事。我们会用到三个示例词集：食物类（food）、运动类（sports）和天气类（weather），选自一个非常棒的网站 Enchanted Learning。因为这些向量有 300 个维度，为了在 2D 平面上可视化，我们会用到 Scikit-Learn’s 中叫作“t-SNE”的降维算法操作
首先必须像下面这样取得词向量：
import
numpy
as
np
with
open
(
'food_words.txt'
,
'r'
)
as
infile
:
food_words
=
infile
.
readlines
()
with
open
(
'sports_words.txt'
,
'r'
)
as
infile
:
sports_words
=
infile
.
readlines
()
with
open
(
'weather_words.txt'
,
'r'
)
as
infile
:
weather_words
=
infile
.
readlines
()
def
getWordVecs
(
words
)
:
vecs
=
[]
for
word
in
words
:
word
=
word
.
replace
(
'n'
,
''
)
try
:
vecs
.
append
(
model
[
word
].
reshape
((
1
,
300
)))
except
KeyError
:
continue
vecs
=
np
.
concatenate
(
vecs
)
return
np
.
array
(
vecs
,
dtype
=
'float'
)
#TSNE expects float type values
food_vecs
=
getWordVecs
(
food_words
)
sports_vecs
=
getWordVecs
(
sports_words
)
weather_vecs
=
getWordVecs
(
weather_words
)
我们接着使用 TSNE 和 matplotlib 可视化聚类，代码如下：
from
sklearn
.
manifold
import
TSNE
import
matplotlib
.
pyplot
as
plt
ts
=
TSNE
(
2
)
reduced_vecs
=
ts
.
fit_transform
(
np
.
concatenate
((
food_vecs
,
sports_vecs
,
weather_vecs
)))
#color points by word group to see if Word2Vec can separate them
for
i
in
range
(
len
(
reduced_vecs
))
:
if
i
&
lt
;
len
(
food_vecs
)
:
#food words colored blue
color
=
'b'
elif
i
&
gt
;
=
len
(
food_vecs
)
and
i
&
lt
;
(
len
(
food_vecs
)
+
len
(
sports_vecs
))
:
#sports words colored red
color
=
'r'
else
:
#weather words colored green
color
=
'g'
plt
.
plot
(
reduced_vecs
[
i
,
0
],
reduced_vecs
[
i
,
1
],
marker
=
'o'
,
color
=
color
,
markersize
=
8
)
import
numpy
as
np
with
open
(
'food_words.txt'
,
'r'
)
as
infile
:
food_words
=
infile
.
readlines
()
with
open
(
'sports_words.txt'
,
'r'
)
as
infile
:
sports_words
=
infile
.
readlines
()
with
open
(
'weather_words.txt'
,
'r'
)
as
infile
:
weather_words
=
infile
.
readlines
()
def
getWordVecs
(
words
)
:
vecs
=
[]
for
word
in
words
:
word
=
word
.
replace
(
'n'
,
''
)
try
:
vecs
.
append
(
model
[
word
].
reshape
((
1
,
300
)))
except
KeyError
:
continue
vecs
=
np
.
concatenate
(
vecs
)
return
np
.
array
(
vecs
,
dtype
=
'float'
)
#TSNE 要求浮点型的值
food_vecs
=
getWordVecs
(
food_words
)
sports_vecs
=
getWordVecs
(
sports_words
)
weather_vecs
=
getWordVecs
(
weather_words
)
结果如下：
图 3：食物类单词（蓝色），运动类单词（红色）和天气类单词（绿色）T-SNE 集群效果图。
我们可以从上面的例子看到，Word2Vec 不仅能有效分类不相关的单词，同样也能聚类类似的词。
推特 Emoji 情感分析
现在我们进入下一个例程，利用符号表情作为搜索词的推特情感分析。我们把这些符号表情作为我们数据的“模糊（fuzzy）”标签；微笑表情（:-)）与积极情绪对应，而皱眉表情（:-(）则对应消极情绪。在大约 400,000 条推特数据中，积极和消极的各占一半（even split）。我们对积极和消极情绪的推特进行了随机采样，并按80 / 20 的比例分为了训练集/ 测试集。我们接着在 Word2Vec 模型上训练推特。为了避免数据泄露（data leakage），在训练数据集分类完成以前我们都不会在 Word2Vec 上训练。为了结构化分类器的输入，我们对所有推特词向量取均值。我们会用到 Scikit-Learn 这个第三方库做大量的机器学习。
我们首先导入我们的数据并训练 Word2Vec 模型
from
sklearn
.
cross_validation
import
train_test_split
from
gensim
.
models
.
word2vec
import
Word2Vec
with
open
(
'twitter_data/pos_tweets.txt'
,
'r'
)
as
infile
:
pos_tweets
=
infile
.
readlines
()
with
open
(
'twitter_data/neg_tweets.txt'
,
'r'
)
as
infile
:
neg_tweets
=
infile
.
readlines
()
# 1 代表积极情绪，0 代表消极情绪
y
=
np
.
concatenate
((
np
.
ones
(
len
(
pos_tweets
)),
np
.
zeros
(
len
(
neg_tweets
))))
x_train
,
x_test
,
y_train
,
y_test
=
train_test_split
(
np
.
concatenate
((
pos_tweets
,
neg_tweets
)),
y
,
test_size
=
0.2
)
# 零星的预处理
def
cleanText
(
corpus
)
:
corpus
=
[
z
.
lower
().
replace
(
'n'
,
''
).
split
()
for
z
in
corpus
]
return
corpus
x_train
=
cleanText
(
x_train
)
x_test
=
cleanText
(
x_test
)
n_dim
=
300
# 初始化模型并创建词汇表（vocab）
imdb_w2v
=
Word2Vec
(
size
=
n_dim
,
min_count
=
10
)
imdb_w2v
.
build_vocab
(
x_train
)
# 训练模型 (会花费几分钟)
imdb_w2v
.
train
(
x_train
)
下面我们必须对输入文本创建词向量，为了平均推特中的所有词向量，将用到如下的函数：
# 对训练数据集创建词向量，接着进行比例缩放（scale）。
def
buildWordVector
(
text
,
size
)
:
vec
=
np
.
zeros
(
size
).
reshape
((
1
,
size
))
count
=
0.
for
word
in
text
:
try
:
vec
+=
imdb_w2v
[
word
].
reshape
((
1
,
size
))
count
+=
1.
except
KeyError
:
continue
if
count
!=
0
:
vec
/=
count
return
vec
对我们的数据集进行缩放是标准化处理的一部分。通过均值为零的高斯分布，意味着大于均值则为积极，小于则为消极。许多机器学习模型要求使用缩放过的数据集来获得更好的处理效果，尤其是多特征（例如文本分类）。
from
sklearn
.
preprocessing
import
scale
train_vecs
=
np
.
concatenate
([
buildWordVector
(
z
,
n_dim
)
for
z
in
x_train
])
train_vecs
=
scale
(
train_vecs
)
# 在测试推特数据集中训练 Word2Vec
imdb_w2v
.
train
(
x_test
)
最终我们必须创建测试数据向量并进行比例缩放来评估。
# 创建测试推特向量并缩放
test_vecs
=
np
.
concatenate
([
buildWordVector
(
z
,
n_dim
)
for
z
in
x_test
])
test_vecs
=
scale
(
test_vecs
)
下面我们想通过计算测试数据的预测精度来验证我们的分类器，同时测试它们的 ROC 曲线（Receiver Operating Characteristic，受试者操作特征曲线）。当模型参数调节时，ROC 曲线会测试分类器的真阳性（true-positive）以及假阳性（false-positive）。本例中，我们通过调节边界阈值概率（cut-off threshold probability）将某条推特分类为积极或消极情绪。通常，更希望得到最大化的真阳性和最小化的假阳性，也就是 ROC 曲线下方最大的区域（AUC）。通过这里更多地了解 ROC 曲线。
开始训练我们的分类器，本例对逻辑回归（Logistic Regression）使用随机梯度下降（Stochastic Gradient Descent）。
# 使用分类算法（例如：随机逻辑回归（Stochastic Logistic Regression）来训练数据集，接着从 sklearn.linear_model 导入 SGDClassifier 进行模型处理）
lr
=
SGDClassifier
(
loss
=
'log'
,
penalty
=
'l1'
)
lr
.
fit
(
train_vecs
,
y_train
)
print
'Test Accuracy: %.2f'
%
lr
.
score
(
test_vecs
,
y_test
)
我们利用 matplotlib 和 Scikit-Learn 的 metric 包中的 roc_curve 创建 ROC 曲线来评估。
# 创建 ROC 曲线
from
sklearn
.
metrics
import
roc_curve
,
auc
import
matplotlib
.
pyplot
as
plt
pred_probas
=
lr
.
predict_proba
(
test_vecs
)[
:
,
1
]
fpr
,
tpr
,
_
=
roc_curve
(
y_test
,
pred_probas
)
roc_auc
=
auc
(
fpr
,
tpr
)
plt
.
plot
(
fpr
,
tpr
,
label
=
'area = %.2f'
%
roc_auc
)
plt
.
plot
([
0
,
1
],
[
0
,
1
],
'k--'
)
plt
.
xlim
([
0.0
,
1.0
])
plt
.
ylim
([
0.0
,
1.05
])
plt
.
legend
(
loc
=
'lower right'
)
plt
.
show
()
曲线结果如下：
图 4：逻辑分类器对推特训练数据的 ROC 曲线
没有创建任何特征以及最小化的文本预处理，利用 Scikit-Learn 提供的简单线性模型我们已经实现了 73% 的测试准确率。有趣的是，移除了标点符号实际上反而降低了准确率，说明当“？”或“！”出现时，Word2Vec 能够找到有趣的特征。将这些标点视为独立的单词，训练更长的时间，做更多的预处理，调节 Word2Vec 和分类器中的参数这些方法都有助于准确率的提升。我已经发现配合使用人工神经网络（ANN）能够提高大概 5% 的准确率。因为 Scikit-Learn 没有提供 ANN 分类器的实现工具，所以我自己写了一个：
from
NNet
import
NeuralNet
nnet
=
NeuralNet
(
100
,
learn_rate
=
1e
-
1
,
penalty
=
1e
-
8
)
maxiter
=
1000
batch
=
150
_
=
nnet
.
fit
(
train_vecs
,
y_train
,
fine_tune
=
False
,
maxiter
=
maxiter
,
SGD
=
True
,
batch
=
batch
,
rho
=
0.9
)
print
'Test Accuracy: %.2f'
%
nnet
.
score
(
test_vecs
,
y_test
)
最终准确率为 77%。不论什么机器学习任务，选对模型的艺术性大于科学性。如果你想用我写的库你可以在这找到。友情提示，它看起来比较乱并且没有定期维护！如果你想贡献代码欢迎 fork 我的代码仓。它非常需要被宠幸（TLC）。
基于 Doc2Vec 的电影评论分析
在推特的例子中，使用词向量的均值效果良好。这是因为推特通常是几十个词的长度，即使取均值也能保留相关的特征。然而，一旦我们上升到段落的规模，忽略词序和上下文信息将面临丢失大量特征的风险。这样的情况下更适合使用 Doc2Vec 创建输入特征。我们将使用 IMDB 电影评论数据集 作为示例来测试 Word2Vec 在情感分析中的有效性。数据集中包含了 25,000 条积极评论，25,000 条消极评论和 50,000 条未标记的电影评论。我们首先利用 Doc2Vec 对未标记评论进行训练。除了同时使用 DM 和 DBOW 向量作为输入以外，方法和上一节 Word2Vec 例子相同。
import
gensim
LabeledSentence
=
gensim
.
models
.
doc2vec
.
LabeledSentence
from
sklearn
.
cross_validation
import
train_test_split
import
numpy
as
np
with
open
(
'IMDB_data/pos.txt'
,
'r'
)
as
infile
:
pos_reviews
=
infile
.
readlines
()
with
open
(
'IMDB_data/neg.txt'
,
'r'
)
as
infile
:
neg_reviews
=
infile
.
readlines
()
with
open
(
'IMDB_data/unsup.txt'
,
'r'
)
as
infile
:
unsup_reviews
=
infile
.
readlines
()
# 1 代表积极情绪，0 代表消极情绪
y
=
np
.
concatenate
((
np
.
ones
(
len
(
pos_reviews
)),
np
.
zeros
(
len
(
neg_reviews
))))
x_train
,
x_test
,
y_train
,
y_test
=
train_test_split
(
np
.
concatenate
((
pos_reviews
,
neg_reviews
)),
y
,
test_size
=
0.2
)
# 零星的预处理
def
cleanText
(
corpus
)
:
punctuation
=
""".,?!:;(){}[]"""
corpus
=
[
z
.
lower
().
replace
(
'n'
,
''
)
for
z
in
corpus
]
corpus
=
[
z
.
replace
(
'
'
,
' '
)
for
z
in
corpus
]
# 将标点视为一个单词
for
c
in
punctuation
:
corpus
=
[
z
.
replace
(
c
,
' %s '
%
c
)
for
z
in
corpus
]
corpus
=
[
z
.
split
()
for
z
in
corpus
]
return
corpus
x_train
=
cleanText
(
x_train
)
x_test
=
cleanText
(
x_test
)
unsup_reviews
=
cleanText
(
unsup_reviews
)
# Gensim 的 Doc2Vec 工具要求每个文档/段落包含一个与之关联的标签。我们利用 LabeledSentence 进行处理。格式形如 “TRAIN_i” 或者 “TEST_i”，其中 “i” 是假的评论索引。
def
labelizeReviews
(
reviews
,
label_type
)
:
labelized
=
[]
for
i
,
v
in
enumerate
(
reviews
)
:
label
=
'%s_%s'
%
(
label_type
,
i
)
labelized
.
append
(
LabeledSentence
(
v
,
[
label
]))
return
labelized
x_train
=
labelizeReviews
(
x_train
,
'TRAIN'
)
x_test
=
labelizeReviews
(
x_test
,
'TEST'
)
unsup_reviews
=
labelizeReviews
(
unsup_reviews
,
'UNSUP'
)
这么一来创建了 LabeledSentence 类型对象：
下面我们实例化两个 Doc2Vec 模型，DM 和 DBOW。gensim 文档建议多次训练数据，并且在每一步（pass）调节学习率（learning rate）或者用随机顺序输入文本。接着我们收集了通过模型训练后的电影评论向量。
import
random
size
=
400
# 实例化 DM 和 DBOW 模型
model_dm
=
gensim
.
models
.
Doc2Vec
(
min_count
=
1
,
window
=
10
,
size
=
