11 只生成词向量之TF-IDF

在自然语言处理（NLP）中，词向量的表示方法有很多，从最简单的词袋模型开始，再到我们今天要讨论的TF-IDF（Term Frequency-Inverse Document Frequency）方法。相较于词袋模型，TF-IDF不仅考虑了词频，还考虑了词的重要性，从而为文本提供更为精确的表示。

什么是TF-IDF

TF-IDF 是一个统计算法，它用来评估单词在文档集合或语料库中的重要性。它由两个部分组成：

• 词频（TF）：一个词在某篇文档中出现的频率。其计算公式为：

  $$
  TF(w, d) = \frac{n_{w, d}}{\sum_{w’ \in d} n_{w’, d}}
  $$

  其中，$n_{w, d}$表示词w在文档d中的出现次数，$\sum_{w’ \in d} n_{w’, d}$表示文档d中词的总数。

• 逆文档频率（IDF）：一个词在所有文档中重要性的度量。其计算公式为：

  $$
  IDF(w, D) = \log\left(\frac{|D|}{|{d \in D: w \in d}|}\right)
  $$

  其中，$|D|$表示整个文档集合的大小，而$|{d \in D: w \in d}|$表示包含词w的文档数量。

结合这两个部分，我们可以得到TF-IDF的计算公式：

$$
TFIDF(w, d, D) = TF(w, d) \times IDF(w, D)
$$

TF-IDF的工作流程

TF-IDF的计算流程通常包括以下几个步骤：

1. 文本预处理：去除停用词、标点符号，进行分词等。

2. 计算词频（TF）：统计每个词在每个文档中的出现频率。

3. 计算逆文档频率（IDF）：统计每个词在所有文档中出现的情况。

4. 计算TF-IDF值：将TF和IDF相乘以获得每个词的TF-IDF值。

案例演示

假设我们有如下三个文档：

• 文档1：我 爱 自然 语言
• 文档2：我 爱 编程
• 文档3：自然 语言 处理 是 很 有趣 的

我们来计算“自然”这个词在这三篇文档中的TF-IDF值。

步骤1：文本预处理

在这个例子中，文本已经被很好地分词。我们可以直接进入下一步。

步骤2：计算词频（TF）

• 文档1：我(1), 爱(1), 自然(1), 语言(1) => TF = {我: 0.25, 爱: 0.25, 自然: 0.25, 语言: 0.25}
• 文档2：我(1), 爱(1), 编程(1) => TF = {我: 0.33, 爱: 0.33, 编程: 0.33}
• 文档3：自然(1), 语言(1), 处理(1), 是(1), 很(1), 有趣(1), 的(1) => TF = {自然: 0.14, 语言: 0.14, 处理: 0.14, 是: 0.14, 很: 0.14, 有趣: 0.14, 的: 0.14}

步骤3：计算逆文档频率（IDF）

• 自然在文档1和文档3中出现，文档总数为3，因此有：

$$
IDF(自然, D) = \log\left(\frac{3}{2}\right) \approx 0.176
$$

步骤4：计算TF-IDF值

• 文档1：

$$
TFIDF(自然, 文档1) = 0.25 \times 0.176 \approx 0.044
$$

• 文档2：没有自然，因此为0。

• 文档3：

$$
TFIDF(自然, 文档3) = 0.14 \times 0.176 \approx 0.025
$$

最终结果为：

• 文档1中的“自然” TF-IDF 值为 0.044
• 文档2中的“自然” TF-IDF 值为 0
• 文档3中的“自然” TF-IDF 值为 0.025

Python实现

我们可以使用Python中的scikit-learn来方便地计算TF-IDF值。以下是一个简单的实现：

from sklearn.feature_extraction.text import TfidfVectorizer

# 样本文档
documents = ["我 爱 自然 语言", "我 爱 编程", "自然 语言 处理 是 很 有趣 的"]

# 创建TF-IDF向量器
vectorizer = TfidfVectorizer()

# 拟合并转换文档
tfidf_matrix = vectorizer.fit_transform(documents)

# 打印结果
feature_names = vectorizer.get_feature_names_out()
dense = tfidf_matrix.todense()
denselist = dense.tolist()

import pandas as pd

df_tfidf = pd.DataFrame(denselist, columns=feature_names)
print(df_tfidf)

输出将为一个包含每个单词在每个文档中TF-IDF值的矩阵。

小结

TF-IDF是一种强有力的文本特征提取方法，它解决了词袋模型的局限性，通过考虑词频和逆文档频率，我们能够提取出语料中的重要信息及词的相对重要性。在接下来的篇章中，我们将学习更为复杂的Word2Vec模型，这将进一步丰富我们的词向量知识体系。

通过本篇教程，你应该对TF-IDF有了基本的理解，以及如何在Python中实现它。希望你能在后续的学习中步入更深入的NLP领域！