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《Text Mining and Analysis》第三周学习笔记

Negan-ZW 2018-01-02 20:47 原文

《Text Mining and Analysis》第三周学习笔记

课程导读：

Goals and Objectives

  • Explain what a mixture of unigram language model is and why using a background language in a mixture can help “absorb” common words in English.
  • Explain what PLSA is and how it can be used to mine and analyze topics in text.
  • Explain the general idea of using a generative model for text mining.
  • Explain how to compute the probability of observing a word from a mixture model like PLSA.
  • Explain the basic idea of the EM algorithm and how it works.
  • Explain the main difference between LDA and PLSA.

Guiding Questions

  • What is a mixture model? In general, how do you compute the probability of observing a particular word from a mixture model? What is the general form of the expression for this probability?
  • What does the maximum likelihood estimate of the component word distributions of a mixture model behave like? In what sense do they “collaborate” and/or “compete”? Why can we use a fixed background word distribution to force a discovered topic word distribution to reduce its probability on the common (often non-content) words?
  • What is the basic idea of the EM algorithm? What does the E-step typically do? What does the M-step typically do? In which of the two steps do we typically apply the Bayes rule? Does EM converge to a global maximum?
  • What is PLSA? How many parameters does a PLSA model have? How is this number affected by the size of our data set to be mined? How can we adjust the standard PLSA to incorporate a prior on a topic word distribution?
  • How is LDA different from PLSA? What is shared by the two models?

Key Phrases and Concepts

  • Mixture model
  • Component model
  • Constraints on probabilities
  • Probabilistic Latent Semantic Analysis (PLSA)
  • Expectation-Maximization (EM) algorithm
  • E-step and M-step
  • Hidden variables
  • Hill climbing
  • Local maximum
  • Latent Dirichlet Allocation (LDA)

 

一、Probabilistic Topic Models: Mixture of Unigram LMs

首先，对出现的符号做以下说明：

　　　　d　　　　文档

　　　　w　   　　单词

　　　　θ　    　　主题

　　　　p(w|θ)　   主题θ下单词w出现的概率

　　　　Λ 　　      参数的集合

　　　　c(w,d) 　文档d中单词w出现的次数

  1. 我们怎样来去除那些common words呢？

　　很显然，因为这些common words在文档中总是出现，并且我们是用最大似然概率来计算（上一周），这导致这些common words获得高频概率，但这非我们想看到的结果。

 

如何来解决这个问题？这是提到一种方法。

　　2.使用有个词分布来generate文档d

　　这个词分布分别是Topic θd 和Background topic θB。它比只有一个词分部的unigram model多了一点不确定性，这就是Mixture of unigram language model。在这里设p(θd)和p(θB)为0.5。

　　3.怎么计算一个特定的单词的概率，如p(“the”)=?

　　假设如上图所示的数据结果，p(“the”)的计算方式为：

 

　　4.归纳出Mixture model的一般计算形式

　　其主要思想就是利用两个词分布（Topic θd 和Background topic θB）来计算单词生成（出现）的概率，计算公式如下：

　　5.课程小结

　　这一节的主要内容如下图所示：

 

下一节讲解如何计算求解这个模型的参数。

二、Probabilistic Topic Models:Mixture Model Estimation

　　我们建立这个模型的目的就是把那些高概率的common words给筛出。为了达到这个目的，在这一节中讲述这个模型：

　　①除了θd外其余参数都是已知的，如何调整θd使得p(d|Λ)最大？

　　②通过一个简单的实例来讨论mixture model的规律（协作与竞争关系，模型对高频词的反应），得出其两条规律如下：

 

　　基于此，以下回答三个问题：

  1. Mixture model中词分布的最大似然估计是如何计算的？

　　回答如图所示：

 

依然是利用上一节讲述的计算方法。

　　2.他们在什么意义上“协作”和/或“竞争”？

　　3.为什么我们可以使用固定的背景词分布来强制发现的主题词分布，以减少它在常见的（通常是非内容的）词上的概率？

这两个问题的回答是相辅相成的，解答如下图：

 

　　因为text在背景模型中较弱，它值很小，为了补偿这一点，我们必须让θd中text的概率更大。这样等式两边才能平衡，所以这是这个混合模型很常见的表现。

　　就是说，如果其中一个分布分给某个词的概率更高，另一个分布中这个词的概率就更低，它会阻止其他分布分给这个词高概率。这就是为了让子模型相抵 保证每一个词在主模型中享有公平的概率。

三、Probabilistic Topic Models:Expectation-Maximization (EM) Algorithm

　　在此之前，先来回答以下几个问题：

  1. EM算法的基本思想是什么？

　　回答如下：

　　①用随机值初始化p(w|θd)；

　　②然后使用E-step & M-step迭代改进该值；

　　③直到其值趋于稳定。

　　2.E步骤通常会做什么？ M-step通常会做什么？在两个步骤中，我们通常应用贝叶斯规则？

　　回答如下：

 

　　3.这个算法是否能收敛到全局最优？

　　回答如下：

　　EM算法是一种爬坡算法，收敛于局部最优解。当然这也与它的起始点有关。如图所示：

 

　　在这一节中，目的是解决上一节“除了θd外其余参数都是已知的，如何调整θd使得p(d|Λ)最大？”这里使用EM算法解决这个问题。

首先，先定义隐藏变量（Hidden Variable）：

 

　　然后，利用上述讲述的EM算法的步骤进行计算，使得θd中词概率发生了变化。具体结果如下所示：

 

　　如此，问题便得到了一种有效的求解。

四、Probabilistic Latent Semantic Analysis (PLSA)

　　以下回答几个问题：

  1. 什么是PLSA ?PLSA模型有多少个参数?我们的数据集的大小会如何影响这个数字?

　　PLSA = mixture model with k unigram LMs (k topics)，如图所示：

 

　　PLSA的未知参数有（K指K个主题）：

 

　　PLSA的推导过程如下：

 

　　数据集的大小会使未知参数的个数乘法式增长。

　　2.PLSA模型要求解的目标是？

　　回答如下：

 

　　3.如何使用EM算法来求解这个优化问题？

 

　　其中E步和Ｍ步分别为：

 

 

五、Latent Dirichlet Allocation (LDA)

　　以下回答几个问题：

  1. LDA与PLSA有什么不同？

　　回答：

　　PLSA中，主题分布和词分布是唯一确定的，但在LDA中，主题分布和词分布不再唯一确定不变，即无法确切给出。PLSA跟LDA的本质区别就在于它们去估计未知参数所采用的思想不同，前者用的是频率派思想，后者用的是贝叶斯派思想。

（来自课外阅读：http://blog.csdn.net/v_july_v/article/details/41209515#t15）

　　2.两种模型共享什么？

　　这个模型共享的部分可以从下图看出：

 

　　3.PLSA的缺陷

　　（1）不是一个生成模型，无法计算新文档的概率，但启发式的解决方法是可能的；

　　（2）有许多参数，导致模型的复杂性很高；

　　

　　扩展阅读：

　　七月在线July博主关于LDA的详细介绍（我还没看懂）链接：http://blog.csdn.net/v_july_v/article/details/41209515#t15

 

　　以下为课程对整个概率主题模型的小结:

 

 六、单词笔记

factor out    提取出

subject to    受制于....

demote     降级

optimal    最优的

assign     分配

collaboratively 协作地

scenario    方案

component   成分；组件

adequate     充足

parameter    参数

cluster      聚类

precisely    精确地

normalize   标准化

tentative     试验性的

inference    推理

process      处理；过程

typical       典型

prior        先验

perhaps      也许

generate     生成

flip a coin    抛硬币

end up with   以......而结束

formula      公式

solid        可靠的

variable      变量

probabilistically 有概率性地

occurrence    出现

initialize       初始化

invoke         调用

revise         修正

illustrate       阐明

split          分离开

iteratively      迭代第；反复地

latent   隐藏的

semantic   语义的

multiple    多个

accumulate 积累

versus      与.....相对

 

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