作者丨蘇健林

單位丨廣州火焰信息技術(shù)有限公司

研究方向丨NLP，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

個人主頁丨kexue.fm

在上一篇文章中，我們根據(jù)*小熵原理進行了一系列數(shù)學(xué)推導(dǎo)，*終得到(2.15)和(2.17)) ，這告訴我們應(yīng)該合并互信息比較大的兩個元素，這樣有助于降低“學(xué)習(xí)難度”。

從單詞到單詞，從單詞到短語，檢查相鄰元素是否可以組合成一個好的“套路”。但為什么例程必須相鄰？

當(dāng)然，它不一定是相鄰的。當(dāng)我們學(xué)習(xí)一門語言時，我們不僅會學(xué)習(xí)單詞和短語，還會學(xué)習(xí)“固定搭配”，這意味著如何使用單詞是合理的。這是語法的一種體現(xiàn)，也是本文所要表達的。查詢，希望*終實現(xiàn)一定程度的無監(jiān)督句法分析。

因為這次考慮的是跨鄰詞的語言聯(lián)想，我把它命名為“飛象過江”，正是：“套路寶典”的第二種——“飛象過江”。

語言結(jié)構(gòu)

對于大多數(shù)人來說，他們并不真正了解什么是語法。他們腦子里只有一些“固定搭配”、“固定風(fēng)格”，或者更正式的稱呼“模板”。在大多數(shù)情況下，我們會根據(jù)模板說合理的話。不同的人可能有不同的說話模板。這是個人的說話風(fēng)格，甚至是“口頭禪”。

句子模板

比如“What is the Y of X”就是一個簡單的模板，里面有一些明確的詞“of”、“is”、“what”，還有一些占位符X、Y，就用兩個X和Y代替一個名詞，你得到一個語法句子（如果它是真的，那是另一回事）。此類模板的例子有很多，例如“X 和 Y”、“X 的 Y”、“X 可以是 Y”、“Y 有什么 X 有”、“是 XY 還是 Z”等等。

▲句子模板和相互嵌套的例子

當(dāng)然，雖然可以提取出盡可能多的模板，但有限的模板無法覆蓋千變?nèi)f化的語言想象，所以更重要的是，它是基于模板的嵌套使用。例如，對于模板“X 的 Y 是什么”，可以將 X 替換為模板“A 和 B”以得到“(A 和 B) 的 Y 是什么”。這樣，如果模板相互嵌套，你可以得到相當(dāng)多的句子。

等價類

那么，有了模板“X的Y是什么？”，我們怎么知道X和Y分別可以填什么？

剛才我們說“隨機使用兩個名詞”，但是按照我們的想法，到現(xiàn)在我們只會建立一個詞庫。我們甚至不知道什么是“名詞”，更不用說我們應(yīng)該填寫名詞了。. 事實上，我們不需要提前知道任何事情。我們可以通過一個大的語料庫來提取每個候選位置的“等價類”。X的候選詞構(gòu)成一個詞等價類，Y的候選詞也構(gòu)成一個詞。等價類等

▲句型和等價物的概念

當(dāng)然，這樣的場景是理想的。其實我們能得到的原始語料要差很多，但不管怎樣，我們還是先解決理想情況，實際使用的時候再考慮一般情況。

下面我們來探討如何從大量原始語料中一一獲取句子模板，考慮如何識別句子中使用的句子模板，甚至挖掘出句子的層次結(jié)構(gòu)。

生成模板

其實，有了上一篇建詞庫的經(jīng)驗，想出一個生成句子模板的算法其實并不難。

在構(gòu)建詞庫時，我們的統(tǒng)計對象是單詞?，F(xiàn)在我們的統(tǒng)計對象是詞。另外，詞是由相鄰的詞組成，但句子模板可能不是由相鄰的詞組成（否則會退化為詞或詞組），所以我們還需要考慮跨詞共現(xiàn)，也就是Skip Word2Vec 中的 Gram 模型。

有向無環(huán)圖

有向無環(huán)圖（DAG）實際上是 NLP 中經(jīng)常遇到的一種圖論模型。實際上，一元分詞模型也可以直接抽象為有向無環(huán)圖上的*短路徑規(guī)劃問題。這里的候選模板集的構(gòu)建也需要一個有向無環(huán)圖。

因為考慮了Skip Gram模型，我們可以把句子中的“compact”（較大的互信息）“詞對”連接起來。從圖論的角度來看，這構(gòu)成了一個“有向無環(huán)圖”：

我們直接把圖上的所有路徑都取出來，如果穿過相鄰的節(jié)點，則插入一個占位符（下面全X代表占位符），這樣就可以得到候選模板集了。例如從上圖中提取的候選模板為：

算法步驟

我們可以將上述過程詳細描述如下：

1. 將語料分成句子，切詞；

2. 選擇一個窗口大小的窗口，從語料中統(tǒng)計每個詞（pa, pb）的出現(xiàn)頻率，以及窗口大?。╬ab）中任意兩個詞的共現(xiàn)頻率；

3. 分別設(shè)置頻率閾值min_prob和互信息閾值min_pmi；

4. 遍歷所有句子：

4.1. 為每個句子構(gòu)造一張圖片，句子中的詞作為圖片上的點處理；

4.2. 句子窗口中的詞對(a, b)，若滿足pab>min_prob和>mi_pmi句翻譯x模板，則在圖；

4.3. 找出圖上的所有路徑（孤立點也算路徑），作為候選模板加入統(tǒng)計；

5. 統(tǒng)計每個“準(zhǔn)模板”出現(xiàn)的頻率，將“準(zhǔn)模板”按頻率降序排序，只取第一部分。

這個算法可以用來提取句子模板，也可以簡單的提取詞組（phrases），只要窗口設(shè)置為1就可以了。 所以基本上包括了上一篇提到的詞庫構(gòu)建，所以上面的算法是一個泛化提取框架。

效果展示

以下是從百度知道的問題集中提取的一些句子模板（數(shù)字是統(tǒng)計的頻率，可以忽略）：

請注意，實際上，由兩個占位符（如“X of X”和“X how X”）夾在中間的單詞模板是微不足道的。它只告訴我們這個詞可以插入一個句子中。因此，為了看效果，我們排除了這種類型的模板，得到：

從結(jié)果來看，我們的句子模板生成確實有效。因為這些句子模板幫助我們發(fā)現(xiàn)語言使用的規(guī)則。例如：

1.“X?”、“X?”、“How about X”模板的占位符出現(xiàn)在前面，表示這些詞可以放在問題的末尾（我們使用的語料庫是問題）；

2.模板的占位符如“IX”、“Seeking X”、“Why X”、“Excuse me X”出現(xiàn)在后面，表示這些詞可以放在問句的開頭;

3. “Thank you”和“What to do”模板沒有出現(xiàn)在占位符中，表示可以自行組成句子；

4. “X 意味著 X”、“X 有什么 X 有”等模板反映了語言的一些固定搭配。

從一般的角度來看，這些模板在句法層面描述了語言現(xiàn)象。當(dāng)然，為了不與當(dāng)前主流的句法分析相混淆，我們不妨稱之為語言結(jié)構(gòu)規(guī)律，或者直接稱之為“句子模板”。

結(jié)構(gòu)分析

和分詞一樣，在構(gòu)造句子模板的時候，我們也需要一個算法來識別句子中使用了哪些模板。只有這樣，才能從語料中識別出單詞的等價類。

回顧分詞算法，分詞只是一個句子切分問題。被分割的詞沒有“洞”（占位符）。如果要識別句子中使用了哪些模板，這些模板都有“洞”。并且可能相互嵌套，造成識別困難。然而，一旦我們能夠做到這一點，我們就會得到句子的層次分解，這是一個非常有吸引力的目標(biāo)。

投射假設(shè)

為了實現(xiàn)句子的層次分解，我們可以先借鑒句法分析中普遍使用的“投射假設(shè)”。

語言的投影大致是指，如果一個句子可以分成幾個“語義塊”，那么這些語義塊是不重疊的。換句話說，如果第3個詞1、2、構(gòu)成語義塊，第5個詞構(gòu)成語義塊，這種情況是允許的，并且1、2、4個詞形成語義塊，第5個詞3、形成語義塊。這種情況是不可能的。大多數(shù)語言，包括中文和英文，基本滿足投影。

結(jié)構(gòu)假設(shè)

為了完成句子層次的分解，我們需要對句子的構(gòu)成結(jié)構(gòu)做更完整的假設(shè)。受投射假設(shè)的啟發(fā)，作者認為句子的結(jié)構(gòu)可以假設(shè)如下：

1. 每個語義塊都是句子的一個連續(xù)子串，句子本身也被視為一個語義塊；

2. 每個語義塊由一個主句模板生成，句子模板的占位符部分也是一個語義塊；

3. 每一個單獨的詞都可以看作是一個瑣碎的句子模板，或者是一個*小粒度的語義塊。

說白了，這三個假設(shè)可以概括為一個句子：每個句子都是通過嵌套句子模板生成的。

乍一看，這個假設(shè)不夠合理，但仔細想想，你會發(fā)現(xiàn)這個假設(shè)足以描述大多數(shù)句子的結(jié)構(gòu)。讀者可能會懷疑“是否可以并行使用兩個句子模板而不是嵌套”？答案是：不應(yīng)該。

因為如果發(fā)生這種情況，您只需要將“并行”本身視為模板。例如，如果將“X and X”視為模板，則“X and X”模板中的兩個語義塊是平行的。是的，它甚至可以與自身嵌套以獲得“X and (X and X)”來描述更多并行現(xiàn)象。

正是因為我們對語言結(jié)構(gòu)做了這個假設(shè)，所以一旦我們確定了一個句子的*優(yōu)句子模板組合，我們就得到了句子層次——因為根據(jù)假設(shè)，模板以嵌套的方式組合是的，嵌套表示遞歸，遞歸是一個層次樹結(jié)構(gòu)。

分解算法

在句子結(jié)構(gòu)的假設(shè)下，我們可以描述句子模板識別算法。首先，讓我們重述分詞算法。一元分詞算法的思想是將句子切分成詞，使這些詞的概率的對數(shù)之和*大（信息量之和*?。?。

還可以改變表達方式：找一系列詞來覆蓋句子中的每個詞，不重復(fù)，使這些詞的概率的對數(shù)之和*大（信息量之和*?。?）。

過去，我們會認為分詞是對句子進行分割，但這個等價的表達方式恰恰相反，涵蓋了句子。有了這種逆向思維，可以提出一種模板識別算法：

找一系列的句子模板來覆蓋句子中的每個詞，不重復(fù)、不遺漏、不重疊，使這些模板的概率的對數(shù)之和*大（信息量之和*?。?。

當(dāng)然，這只是一個想法。在實現(xiàn)過程中，主要難點是占位符的處理。也就是說，句子中的每個單詞都代表單詞本身和占位符。這種二元性使得掃描和識別變得困難。

幸運的是，如果我們按照上面假設(shè)的語言結(jié)構(gòu)，我們可以將其轉(zhuǎn)化為遞歸操作：在*優(yōu)結(jié)構(gòu)分解方案中，主模板下每個語義塊的分解方案也是*優(yōu)的。

▲句子層次分析，包括句子模板的嵌套調(diào)用

所以我們可以得到算法：

1. 掃描句子中所有可能的模板（通過Trie樹結(jié)構(gòu)可以快速掃描）；

2. 每個分解方案的得分等于句子主模板的得分，加上每個語料庫的*優(yōu)分解方案的得分。

結(jié)果顯示

下面是一些簡單示例的演示。它通過有限數(shù)量的模板進行分析?？梢钥闯?，句子層次的分析確實已經(jīng)初步實現(xiàn)了。

+---> (雞蛋)可以(吃)嗎
|     +---> 雞蛋
|     |     +---> 雞蛋
|     +---> 可以
|     +---> 吃
|     |     +---> 吃
|     +---> 嗎

+---> (牛肉雞蛋)可以(吃)嗎
|     +---> 牛肉雞蛋
|     |     +---> 牛肉
|     |     +---> 雞蛋
|     +---> 可以
|     +---> 吃
|     |     +---> 吃
|     +---> 嗎

+---> (蘋果)的(顏色)是(什么)呢
|     +---> 蘋果
|     |     +---> 蘋果
|     +---> 的
|     +---> 顏色
|     |     +---> 顏色
|     +---> 是
|     +---> 什么
|     |     +---> 什么
|     +---> 呢

+---> (雪梨和蘋果和香蕉)的(顏色)是(什么)呢
|     +---> (雪梨和蘋果)和(香蕉)
|     |     +---> (雪梨)和(蘋果)
|     |     |     +---> 雪梨
|     |     |     |     +---> 雪梨
|     |     |     +---> 和
|     |     |     +---> 蘋果
|     |     |     |     +---> 蘋果
|     |     +---> 和
|     |     +---> 香蕉
|     |     |     +---> 香蕉
|     +---> 的
|     +---> 顏色
|     |     +---> 顏色
|     +---> 是
|     +---> 什么
|     |     +---> 什么
|     +---> 呢

當(dāng)然，報告好壞是不可能的，還有一些失敗的例子：

+---> (我的美味)的(蘋果的顏色)是(什么)呢
|     +---> (我)的(美味)
|     |     +---> 我
|     |     |     +---> 我
|     |     +---> 的
|     |     +---> 美味
|     |     |     +---> 美味
|     +---> 的
|     +---> (蘋果)的(顏色)
|     |     +---> 蘋果
|     |     |     +---> 蘋果
|     |     +---> 的
|     |     +---> 顏色
|     |     |     +---> 顏色
|     +---> 是
|     +---> 什么
|     |     +---> 什么
|     +---> 呢

+---> (蘋果)的(顏色)是(什么的意思是什么)呢
|     +---> 蘋果
|     |     +---> 蘋果
|     +---> 的
|     +---> 顏色
|     |     +---> 顏色
|     +---> 是
|     +---> (什么)的(意思)是(什么)
|     |     +---> 什么
|     |     |     +---> 什么
|     |     +---> 的
|     |     +---> 意思
|     |     |     +---> 意思
|     |     +---> 是
|     |     +---> 什么
|     |     |     +---> 什么
|     +---> 呢

我們稍后會分析失敗的例子。

文章摘要

一臉懵逼，各種話想吐，請先看本段。

拼圖游戲

從單詞和短語到句子模板，我們似乎都在玩拼圖游戲：我們發(fā)現(xiàn)這兩個部分盡可能地協(xié)同工作，所以讓我們把它們放在一起。因為將大項互信息組合起來，作為一個整體，有利于降低整體信息熵，也降低整體學(xué)習(xí)難度。

關(guān)于句型，如果你在中文世界搞不清楚，那就回顧一下我們在小學(xué)和初中是如何學(xué)英語的。那我們應(yīng)該已經(jīng)學(xué)了很多英語句子模板了。

有什么用

“句子模板”是本文提出的一個新概念，用它來識別語言結(jié)果也是一種新的嘗試。讀者不禁要問：這玩意有什么用？

我認為回答這個問題*好的方法是引用牛頓的一段話：

我個人認為，我似乎只是一個在沙灘上玩耍的孩子，不時為撿到比平時更光滑的石頭或更漂亮的貝殼而歡欣鼓舞，而展現(xiàn)在我面前的是一片未知的真相。

我引用這段話是為了表明進行這種探究的*根本原因不是出于某種實際目的，而純粹是為了探索自然語言的奧秘。

當(dāng)然，如果同時研究成果能夠具有一定的應(yīng)用價值句翻譯x模板，那就更完美了。從目前的結(jié)果來看，這個應(yīng)用價值可能存在。

因為在 NLP 中，我們面對的句子是千變?nèi)f化的，但實際上“句型”是有限的，這也意味著句子模板也是有限的。如有必要，我們可以調(diào)整每個句子模板的占位符的含義。人工標(biāo)注可以將句子模板的結(jié)構(gòu)與常規(guī)的句法描述對應(yīng)起來。通過有限的句子模板（無限地）分解句子，可以使 NLP 可以面對的場景更加靈活多變。

或許以往傳統(tǒng)的自然語言處理中也出現(xiàn)過類似的事情，但本文描述的內(nèi)容純屬無監(jiān)督結(jié)果，也有自洽的理論描述。是一個比較完整的框架，初步效果并不理想。因此，值得進一步考慮其應(yīng)用價值。

硬進

看完這篇文章，讀者*大的感受可能是“驚呆了”：能不能稍微簡化一下？

要回答這個問題，不得不提一下：距離本系列的上一篇文章已經(jīng)一個多月了，這篇文章正式發(fā)布了。好像很久了？從形式上看，這篇文章只是對上一篇文章的簡單推廣：不是將相鄰的關(guān)聯(lián)擴展到非相鄰的關(guān)聯(lián)嗎？

的確，它在形式上是正確的。但要推動這個想法兼具理論和實踐價值，并不是那么簡單和順利的。例如，在生成句子模板時，如何無遺漏地獲取所有候選模板是一個難題；其次，獲取到句子模板后，如何識別句子中的句子模板（無論是自動生成的還是手動輸入的），這個就更難了。無論是理論思維還是編程實現(xiàn)都存在不少障礙。有必要對樹結(jié)構(gòu)和遞歸編程有一個清晰的掌握。我也是調(diào)試了半個多月才把整個流程調(diào)整好，但是估計還沒有完成。

所以，你一臉懵逼是正常的，我自己寫完這篇文章還是覺得很震驚。

改進思路

在結(jié)果部分，我們還展示了一些失敗的例子。事實上，可能還有更多的失敗。

我們要從兩個方面來看待這個問題。一方面，我們有成功的例子，對應(yīng)于純無監(jiān)督挖掘的探索。即使我們只能得到一小部分成功的結(jié)果，也值得欣喜；另一方面，對于失敗的例子，我們需要思考失敗的原因。并考慮解決方案。

筆者認為整體句子模板思維沒有問題，問題在于我們還沒有達到真正的語義理解層次。比如第一個失敗的例子，結(jié)果是：（我的好吃的）（蘋果的顏色）是（什么）。

我們能說這種分解是完全錯誤的嗎？顯然不是。嚴(yán)格來說，這種分解沒有任何語法錯誤，但不符合語義，也不符合我們的常識。因此，這不是句子模板的錯，而是無法充分整合語義來構(gòu)建句子模板。

回顧目前主流的句法分析工作，無論是有監(jiān)督的還是無監(jiān)督的，基本上都要結(jié)合“詞性”來完成句法分析。所以這為我們提供了一個方向：*小熵序列的下一步是探索詞聚類問題，以便更好地捕捉詞義和語言共性。

基于*小熵原理的 NLP 庫：NLP Zero

我已經(jīng)陸續(xù)寫了幾篇關(guān)于*小熵原理的文章，致力于無監(jiān)督NLP的一些基礎(chǔ)工作。為方便實驗，將文章中涉及的部分算法封裝為庫，供有需要的讀者測試使用。

由于它是面向無監(jiān)督NLP場景的，而且基本上是NLP任務(wù)的基礎(chǔ)工作，所以命名為NLP Zero。

地址

GitHub：

皮皮：

您可以直接通過：

pip install nlp-zero==0.1.6

安裝它。整個庫采用純Python實現(xiàn)，沒有第三方調(diào)用，支持Python2.x和3.x。

用

默認分詞

庫中包含字典，可用作簡單的分詞工具。

from nlp_zero import *

t = Tokenizer()
t.tokenize(u'掃描二維碼，關(guān)注公眾號')

內(nèi)置詞典增加了一些通過新詞發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)的新詞，經(jīng)過作者手動優(yōu)化，質(zhì)量比較高。

詞庫構(gòu)建

通過大量原始語料構(gòu)建詞庫。

首先，我們需要編寫一個迭代容器，這樣我們就不必一次將所有語料加載到內(nèi)存中。迭代器非常靈活。比如我的數(shù)據(jù)存儲在MongoDB中，即：

import pymongo
db = pymongo.MongoClient().weixin.text_articles

class D:
    def __iter__(self):
        for i in db.find().limit(10000):
            yield i['text']

如果數(shù)據(jù)存儲在文本文件中，則可能是：

class D:
    def __iter__(self):
        with open('text.txt') as f:
            for l in f:
                yield l.strip() # python2.x還需要轉(zhuǎn)編碼

然后就可以執(zhí)行了。

from nlp_zero import *
import logging
logging.basicConfig(level = logging.INFO, format = '%(asctime)s - %(name)s - %(message)s')

f = Word_Finder(min_proba=1e-8)
f.train(D()) # 統(tǒng)計互信息
f.find(D()) # 構(gòu)建詞庫

通過 Pandas 查看結(jié)果：

import pandas as pd

words = pd.Series(f.words).sort_values(ascending=False)

直接從統(tǒng)計詞庫中創(chuàng)建分詞工具：

t = f.export_tokenizer()

t.tokenize(u'今天天氣不錯')

句子模板構(gòu)建

和之前一樣，我們還需要寫一個迭代器，這里不再贅述。因為句子模板的構(gòu)建是基于詞統(tǒng)計的，所以還需要一個分詞功能。您可以使用內(nèi)置分詞器或外部分詞器，例如口吃。

from nlp_zero import *
import logging
logging.basicConfig(level = logging.INFO, format = '%(asctime)s - %(name)s - %(message)s')

tokenize = Tokenizer().tokenize # 使用自帶的分詞工具
# 通過 tokenize = jieba.lcut 可以使用結(jié)巴分詞

f = Template_Finder(tokenize, window=3)
f.train(D())
f.find(D())

通過 Pandas 查看結(jié)果：

import pandas as pd

templates = pd.Series(f.templates).sort_values(ascending=False)
idx = [i for i in templates.index if not i.is_trivial()]
templates = templates[idx] # 篩選出非平凡的模版

每個模板都被封裝成一個類。

層次分解

基于句子模板分析句子結(jié)構(gòu)。

from nlp_zero import *

# 建立一個前綴樹，并加入模版
# 模版可以通過tuple來加入，
# 也可以直接通過“tire[模版類]=10”這樣來加入
trie = XTrie()
trie[(None, u'呢')] = 10
trie[(None, u'可以', None, u'嗎')] = 9
trie[(u'我', None)] = 8
trie[(None, u'的', None, u'是', None)] = 7
trie[(None, u'的', None, u'是', None, u'呢')] = 7
trie[(None, u'的', None)] = 12
trie[(None, u'和', None)] = 12

tokenize = Tokenizer().tokenize # 使用自帶的分詞工具
p = Parser(trie, tokenize) # 建立一個解析器

p.parse(u'雞蛋可以吃嗎') # 對句子進行解析
"""輸出：
>>> p.parse(u'雞蛋可以吃嗎')
+---> (雞蛋)可以(吃)嗎
|     +---> 雞蛋
|     |     +---> 雞蛋
|     +---> 可以
|     +---> 吃
|     |     +---> 吃
|     +---> 嗎
"""

為了方便結(jié)果的調(diào)用和可視化，輸出的結(jié)果被封裝成一個SentTree類。該類具有三個屬性：模板（當(dāng)前主模板）、內(nèi)容（當(dāng)前主模板覆蓋的字符串）、模塊（語義塊列表，每個語義塊也由SentTree描述）。一般來說，它是根據(jù)本文語言結(jié)構(gòu)的假設(shè)設(shè)計的。