用 R 语言实现深度学习情感分析

JuanCtt 2年前
   <p>前言</p>    <p>到了2018新的一年。18岁虽然没有成为TF-boys,但是2018新的一年可以成为TF(Tensorflow-boys)啊~~</p>    <h3>word embeddings介绍</h3>    <p>之前建立的情感分类的模型都是Bag of words方法, <strong>仅仅统计词出现的次数</strong> 这种方法破坏了句子的结构。这样的结构,我们也可以使用如下的向量(one hot 编码)表示句子「The cat sat on the mat」:</p>    <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/a0bbe2c69e826ebe467fdafda301e193.jpg"></p>    <p>然而,在实际应用中,我们希望学习模型能够在词汇量很大(10,000 字以上)的情况下进行学习。从这里能看到 <strong>使用「独热码」表示单词的效率问题</strong> ——对这些词汇建模的任何神经网络的输入层至少都有 17000,000 个节点。因此,我们需要使用 <strong>更高效的方法</strong> 表示文本数据,而这种方法不仅可以保存单词的上下文的信息,而且可以在更低的维度上表示。这是 <strong>word embeddings 方法</strong> 发明的初衷。</p>    <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/8290e4af3547f1b9d1a17f340bed7710.png"></p>    <p>word embeddings就是 <strong>将一个个词映射到低维连续向量</strong> (如下图所示) :</p>    <p><img src="https://simg.open-open.com/show/e61b33ac81b1a430dd61aebf990569d1.png"></p>    <p>这种向量的思想就是将相似的词映射到相似方向,所以,语义相似性就可以被编码了。相似性一般可以通过 <strong>余弦相似度来衡量</strong> :</p>    <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/3d0f8fad1a21b442c13fa09c10542170.jpg"></p>    <h3>安装TensorFlow和Keras</h3>    <pre>  <code class="language-r"># 安装并加载Keras包  install.packages("devtools")  devtools::install_github("rstudio/keras")  install_keras()library(keras)    # 安装并加载TensorFlow包  devtools::install_github("rstudio/tensorflow")library(tensorflow)  install_tensorflow()</code></pre>    <p><strong>注</strong> :安装TensorFlow和Keras前需要安装Anaconda,Anaconda尽量装最新版本的,Anaconda在Windows安装有一些坑,我是把Java环境删掉还有使用默认路径才成功安装了Anaconda。</p>    <h3>检测是否安装成功</h3>    <pre>  <code class="language-r"># 输入下面代码  sess = tf$Session()  hello <- tf$constant('Hello, TensorFlow!')  sess$run(hello)</code></pre>    <p>OK,如果没有问题的话,你的结果也将是如上图所示,则表明你已安装成功。</p>    <h3>LSTM原理</h3>    <p><strong>长短期记忆网络</strong> ——通常简称“LSTMs”,是一种特殊的RNN,能够学习长期依赖关系,它可以桥接超过1000步的时间间隔的信息。LSTM由Hochreiter和Schmidhuber (1997)提出,在后期工作中又由许多人进行了调整和普及(除了原始作者之外,许多人为现代LSTM做出了贡献)。LSTM在各种各样的问题上工作非常好,现在被广泛使用。</p>    <p>LSTMs被设计出来是 为了避免长期的依赖性问题,记忆长时间的信息实际上是他们的固有行为 ,而不是去学习,这点和传统的具有强大的表征学习能力的深度神经网络不同。</p>    <p>所有的RNNs(包括LSTM)都具有一连串重复神经网络模块的形式。在标准的RNNs中,这种重复模块有一种非常简单的结构,比如单个tanh层:</p>    <p><img src="https://simg.open-open.com/show/b24519cfdcb77ae802b9db3b59f0ac6a.jpg"></p>    <p><strong>什么是tanh?</strong> 中文叫双曲正切函数,属于神经网络隐藏层的activation function(激活函数)中的一种。别以为是什么好厉害的东西,其实就是一个简单的以原点对称的值域为[-1,1]的非线性函数。而神经网络中比较常见的另外一个激活函数 <strong>sigmoid 函数</strong> ,则不过是把tanh函数往上平移到[0,1]的区间,这个函数在LSTM也会用到。</p>    <p>LSTM也有像RNN这样的链式结构,只不过重复模块有着与传统的RNN不同的结构,比传统的RNN复杂不少:不只是有一个神经网络层,而是有四个神经网络层,以一个非常特殊的方式进行交互。</p>    <p><img src="https://simg.open-open.com/show/426e6d5999eeed261add6226d1a16a46.jpg"></p>    <p>不用担心看不懂细节部分是什么意思,稍后我们将逐步浏览LSTM图。现在,让我们试着去熟悉我们将要使用的符号。</p>    <p>在上面所示的图中,我们对以上符号进行如下定义:</p>    <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/30204725679d34c14294b7dffa42c333.png"></p>    <ul>     <li> <p>黄块表示学习神经网络层(tanh层或sigmoid层);</p> </li>     <li> <p>粉色圆圈表示按位操作,如向量加法或者向量点乘;</p> </li>     <li> <p>每条线代表着一整个向量(vector),用来表示从一个节点的输出到另一个节点的输入;</p> </li>     <li> <p>合并的线代表连接或者说是拼接;</p> </li>     <li> <p>分叉表示其内容被复制,复制内容将转到不同的位置</p> </li>    </ul>    <h3>LSTMs背后的核心理念</h3>    <p>LSTMs的关键是细胞状态(cell state),是一条水平线,贯穿图的顶部。而Cell 的状态就像是传送带,它的状态会沿着整条链条传送,而只有少数地方有一些线性交互。</p>    <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/b143d4e75905386f9cefe9711bb87862.png"></p>    <p>因此“门”就是LSTM控制信息通过的方式,这里的 <strong>” σ “</strong> 指的是 sigmoid 函数。Sigmoid 层的输出值在 0 到 1 间,表示每个部分所通过的信息。 <strong>“0” 意味</strong> 着“让任何事情无法通过”或者说成”忘记所有的事“; <strong>“ 1 ”意味</strong> 着”让一切都通过!“ 或者说”我要记住这一切! “</p>    <p>一个 LSTM 有三个这样的门,分别是“输入门”、遗忘门“和 ”输出门“,在单一模块里面控制 cell 的状态。</p>    <ul>     <li> <p>遗忘门</p> </li>    </ul>    <p>首先,LSTM 的第一步就是让信息通过”遗忘门“, <strong>决定需要从 cell 中忘掉哪些信息</strong> 。它的输入是 ht-1 和 xt。另外,我们之所以使用sigmoid激活函数是因为我们所需要的数字介于0至1之间。Ct−1 就是每个在 cell 中所有在 0 和 1 之间的数值,就像我们刚刚所说的,0 代表全抛弃,1 代表全保留。</p>    <p>看到这里应该有朋友会 <strong>问什么是ht</strong> ,ht是LSTM层在t时刻的输出,但不是最终的输出,ht仅仅是LSTM层输出的向量,要想得到最终的结果 <strong>还要连接一个softmax层</strong> (sigmoid函数的输出是”0“”1“,但是使用softmax函数能在三个类别以上的时候输出相应的概率以解决多分类问题),而x就是我们的输入,是一个又一个的词语。</p>    <p><img src="https://simg.open-open.com/show/c6f1382e2ed5f54b16ffbb3f98856bb8.png"></p>    <ul>     <li> <p>输入门</p> </li>    </ul>    <p>下一步,我们需要 <strong>决定什么样的信息应该被存储起来</strong> 。这个过程主要分两步。 <strong>首先是 sigmoid 层</strong> (这就是“输入门”)决定我们需要更新哪些值; <strong>随后,</strong> <strong>tanh 层</strong> 生成了一个新的“候选添加记忆” C`t, <strong>最后,我们将这两个值结合起来</strong> 。结合后能够加入cell的状态(长期记忆)中。</p>    <p><img src="https://simg.open-open.com/show/199653c7cb9f5681b8ed40328092e9ae.jpg"></p>    <p>接下来我们可以更新 cell (长期记忆)的状态了。首先第一步将旧状态与通过遗忘门得到的 ft 相乘,忘记此前我们想要忘记的内容,然后加上通过输入门和tanh层得到的候选记忆 C`t。在忘记我们认为不再需要的记忆并保存输入信息的有用部分后,我们就会得到更新后的长期记忆。</p>    <p><img src="https://simg.open-open.com/show/281c6a86d5307e86d0b2673058fb5829.jpg"></p>    <ul>     <li> <p>输出门</p> <p>接下来我们来更新一下ht,即输出的内容,这部分由输出门来完成。首先,我们把 cell 状态通过 tanh 函数,将输出值保持在-1 到 1 间。随后,前一时刻的输出ht-1和xt会通过一个 sigmoid 层,决定 cell 状态输出哪一部分。之后,我们再乘以 sigmoid 门的输出值,就可以得到结果了。</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/f63c007e254180405aebdbe5d55fddd6.png"></p> </li>    </ul>    <h3>R上用LSTM做情感分类</h3>    <pre>  <code class="language-r">max_features <- 20000  batch_size <- 32    # Cut texts after this number of words (among top max_features most common words)  maxlen <- 80  cat('Loading data...\n')    imdb <- dataset_imdb(num_words = max_features)  x_train <- imdb$train$x  y_train <- imdb$train$y  x_test <- imdb$test$x  y_test <- imdb$test$y  view(x_train)</code></pre>    <p><img src="https://simg.open-open.com/show/94a4c93c400eda601107f5afab99801c.jpg"></p>    <p><strong>IMDB数据集包含有2.5万条电影评论</strong> ,被标记为积极和消极。影评会经过预处理,把每一条影评编码为一个词索引(数字)sequence(前面的一种word embeddings方法) 。</p>    <pre>  <code class="language-r">cat(length(x_train), 'train sequences\n')  cat(length(x_test), 'test sequences\n')  cat('Pad sequences (samples x time)\n')    x_train <- pad_sequences(x_train, maxlen = maxlen)  x_test <- pad_sequences(x_test, maxlen = maxlen)    cat('x_train shape:', dim(x_train), '\n')  cat('x_test shape:', dim(x_test), '\n')</code></pre>    <p><img src="https://simg.open-open.com/show/2e8d97d309351c9e2bd8afee8ae53a6c.png"></p>    <pre>  <code class="language-r">cat('Build model...\n')  model <- keras_model_sequential()  model %>%    layer_embedding(input_dim = max_features, output_dim = 128) %>%     layer_lstm(units = 64, dropout = 0.2, recurrent_dropout = 0.2) %>%     layer_dense(units = 1, activation = 'sigmoid')</code></pre>    <p>当然,可以尝试使用不同的优化器和不同的优化器配置:</p>    <pre>  <code class="language-r">model %>% compile(    loss = 'binary_crossentropy',    optimizer = 'adam',    metrics = c('accuracy')  )    cat('Train...\n')  model %>% fit(    x_train, y_train,    batch_size = batch_size,    epochs = 15,    validation_data = list(x_test, y_test)  )</code></pre>    <p>上面代码的训练过程如下图所示(我电脑大概用了20min):</p>    <p><img src="https://simg.open-open.com/show/53657a4daf978fcabe6115f9290da721.jpg"></p>    <pre>  <code class="language-r"># 模型的准确度度量  scores <- model %>% evaluate(    x_test, y_test,    batch_size = batch_size  )    cat('Test score:', scores[[1]])  cat('Test accuracy', scores[[2]])</code></pre>    <p>接下来,我们再对比其他模型,不妨以随机森林为例:</p>    <pre>  <code class="language-r">library(randomForest)    y_train <- as.factor(y_train)  y_test <- as.factor(y_test)  rf <- randomForest(x=x_train,y=y_train,ntree=1000)  predict <- predict(rf,newdata=x_test)</code></pre>    <p><img src="https://simg.open-open.com/show/bb0d5a0f3d7d5b5266fa7005b16540bc.png"></p>    <p>很显然,集成算法随机森林远远没有LSTM出来的效果好。今天关于基于R语言的深度学习就介绍到这里。最后,很高兴和大家一起学习R上的深度学习。</p>    <h3> </h3>    <p>参考资料</p>    <p>https://tensorflow.rstudio.com/keras/articles/examples/imdb_lstm.html</p>    <p>http://colah.github.io/posts/2015-08-Understanding-LSTMs/</p>    <p> </p>    <p>来自:https://mp.weixin.qq.com/s/tL2uFJV7EISa6WjbJaVa6g</p>    <p> </p>