机器学习：BM25【TD-IDF的优化版本】
2022/1/19 6:09:26
本文主要是介绍机器学习：BM25【TD-IDF的优化版本】，对大家解决编程问题具有一定的参考价值，需要的程序猿们随着小编来一起学习吧！
一、BM25算法原理
BM25(BM=best matching)是TDIDF的优化版本，首先我们来看看TFIDF是怎么计算的
t
f
i
d
f
i
=
t
f
∗
i
d
f
=
词
i
的
数
量
词
语
总
数
∗
l
o
g
总
文
档
数
包
含
词
i
的
文
档
数
tfidf_i = tf*idf = \cfrac{词i的数量}{词语总数}*log\cfrac{总文档数}{包含词i的文档数}
tfidfi=tf∗idf=词语总数词i的数量∗log包含词i的文档数总文档数
其中tf称为词频，idf为逆文档频率
那么BM25是如何计算的呢？
B
M
25
(
i
)
=
词
i
的
数
量
总
词
数
∗
(
k
+
1
)
C
C
+
k
(
1
−
b
+
b
∣
d
∣
a
v
d
l
）
∗
l
o
g
(
总
文
档
数
包
含
i
的
文
档
数
)
C
=
t
f
=
词
i
的
数
量
总
词
数
,
k
>
0
,
b
∈
[
0
,
1
]
，
d
为
文
档
i
的
长
度
，
a
v
d
l
是
文
档
平
均
长
度
BM25(i) = \cfrac{词i的数量}{总词数}*\cfrac{(k+1)C}{C+k(1-b+b\cfrac{|d|}{avdl}）}*log(\cfrac{总文档数}{包含i的文档数}) \\ C = tf=\cfrac{词i的数量}{总词数},k>0,b\in [0,1]，d为文档i的长度，avdl是文档平均长度
BM25(i)=总词数词i的数量∗C+k(1−b+bavdl∣d∣）(k+1)C∗log(包含i的文档数总文档数)C=tf=总词数词i的数量,k>0,b∈[0,1]，d为文档i的长度，avdl是文档平均长度
大家可以看到，BM25和tfidf的计算结果很相似，唯一的区别在于中多了一项，这一项是用来对tf的结果进行的一种变换。
把 1 − b + b d a v d l 1-b+b\cfrac{d}{avdl} 1−b+bavdld中的b看成0，那么此时中间项的结果为 ( k + 1 ) t f k + t f \cfrac{(k+1)tf}{k+tf} k+tf(k+1)tf，通过设置一个k，就能够保证其最大值为 1 1 1，达到限制tf过大的目的。
即：
(
k
+
1
)
t
f
k
+
t
f
=
k
+
1
1
+
k
t
f
,
上
下
同
除
t
f
\begin{aligned} &\cfrac{(k+1)tf}{k+tf}= \cfrac{k+1}{1+\cfrac{k}{tf}} \qquad \qquad \qquad,上下同除tf \end{aligned}
k+tf(k+1)tf=1+tfkk+1,上下同除tf
k不变的情况下，上式随着tf的增大而增大，上限为k+1,但是增加的程度会变小，如下图所示。
在一个句子中，某个词重要程度应该是随着词语的数量逐渐衰减的，所以中间项对词频进行了惩罚，随着次数的增加，影响程度的增加会越来越小。通过设置k值，能够保证其最大值为k+1，k往往取值1.2。
其变化如下图（无论k为多少，中间项的变化程度会随着次数的增加，越来越小）：
同时 1 − b + b d a v d l 1-b+b\cfrac{d}{avdl} 1−b+bavdld的作用是用来对文本的长度进行归一化。
例如在考虑整个句子的tdidf的时候，如果句子的长度太短，那么计算的总的tdidf的值是要比长句子的tdidf的值要低的。所以可以考虑对句子的长度进行归一化处理。
可以看到，当句子的长度越短，
1
−
b
+
b
∣
d
∣
a
v
d
l
1-b+b\cfrac{|d|}{avdl}
1−b+bavdl∣d∣的值是越小，作为分母的位置，会让整个第二项越大，从而达到提高短文本句子的BM25的值的效果。当b的值为0，可以禁用归一化，b往往取值0.75
其变化效果如下：
2.2 BM25算法实现
通过前面的学习，我们知道其实BM25和Tfidf的区别不大，所以我们可以在之前sciket-learn的TfidfVectorizer基础上进行修改，获取我们的BM25的计算结果，主要也是修改其中的fit方法和transform方法
在sklearn的TfidfVectorizer中，首先接受参数，其次会调用TfidfTransformer来完成其他方法的调用
2.2.1 继承TfidfVectorizer完成 参数的接受
from sklearn.feature_extraction.text import TfidfVectorizer,TfidfTransformer,_document_frequency
from sklearn.base import BaseEstimator,TransformerMixin
from sklearn.preprocessing import normalize
from sklearn.utils.validation import check_is_fitted
import numpy as np
import scipy.sparse as sp
class Bm25Vectorizer(CountVectorizer):
def __init__(self,k=1.2,b=0.75, norm="l2", use_idf=True, smooth_idf=True,sublinear_tf=False,*args,**kwargs):
super(Bm25Vectorizer,self).__init__(*args,**kwargs)
self._tfidf = Bm25Transformer(k=k,b=b,norm=norm, use_idf=use_idf,
smooth_idf=smooth_idf,
sublinear_tf=sublinear_tf)
@property
def k(self):
return self._tfidf.k
@k.setter
def k(self, value):
self._tfidf.k = value
@property
def b(self):
return self._tfidf.b
@b.setter
def b(self, value):
self._tfidf.b = value
def fit(self, raw_documents, y=None):
"""Learn vocabulary and idf from training set.
"""
X = super(Bm25Vectorizer, self).fit_transform(raw_documents)
self._tfidf.fit(X)
return self
def fit_transform(self, raw_documents, y=None):
"""Learn vocabulary and idf, return term-document matrix.
"""
X = super(Bm25Vectorizer, self).fit_transform(raw_documents)
self._tfidf.fit(X)
return self._tfidf.transform(X, copy=False)
def transform(self, raw_documents, copy=True):
"""Transform documents to document-term matrix.
"""
check_is_fitted(self, '_tfidf', 'The tfidf vector is not fitted')
X = super(Bm25Vectorizer, self).transform(raw_documents)
return self._tfidf.transform(X, copy=False)
2.2.2 完成自己的Bm25transformer,只需要再原来基础的代码上进心修改部分即可。sklearn中的转换器类的实现要求，不能直接继承已有的转换器类
class Bm25Transformer(BaseEstimator, TransformerMixin):
def __init__(self,k=1.2,b=0.75, norm='l2', use_idf=True, smooth_idf=True,
sublinear_tf=False):
self.k = k
self.b = b
##################以下是TFIDFtransform代码##########################
self.norm = norm
self.use_idf = use_idf
self.smooth_idf = smooth_idf
self.sublinear_tf = sublinear_tf
def fit(self, X, y=None):
"""Learn the idf vector (global term weights)
Parameters
----------
X : sparse matrix, [n_samples, n_features]
a matrix of term/token counts
"""
_X = X.toarray()
self.avdl = _X.sum()/_X.shape[0] #句子的平均长度
# print("原来的fit的数据：\n",X)
#计算每个词语的tf的值
self.tf = _X.sum(0)/_X.sum() #[M] #M表示总词语的数量
self.tf = self.tf.reshape([1,self.tf.shape[0]]) #[1,M]
# print("tf\n",self.tf)
##################以下是TFIDFtransform代码##########################
if not sp.issparse(X):
X = sp.csc_matrix(X)
if self.use_idf:
n_samples, n_features = X.shape
df = _document_frequency(X)
# perform idf smoothing if required
df += int(self.smooth_idf)
n_samples += int(self.smooth_idf)
# log+1 instead of log makes sure terms with zero idf don't get
# suppressed entirely.
idf = np.log(float(n_samples) / df) + 1.0
self._idf_diag = sp.spdiags(idf, diags=0, m=n_features,
n=n_features, format='csr')
return self
def transform(self, X, copy=True):
"""Transform a count matrix to a tf or tf-idf representation
Parameters
----------
X : sparse matrix, [n_samples, n_features]
a matrix of term/token counts
copy : boolean, default True
Whether to copy X and operate on the copy or perform in-place
operations.
Returns
-------
vectors : sparse matrix, [n_samples, n_features]
"""
########### 计算中间项 ###############
cur_tf = np.multiply(self.tf, X.toarray()) #[N,M] #N表示数据的条数，M表示总词语的数量
norm_lenght = 1 - self.b + self.b*(X.toarray().sum(-1)/self.avdl) #[N] #N表示数据的条数
norm_lenght = norm_lenght.reshape([norm_lenght.shape[0],1]) #[N,1]
middle_part = (self.k+1)*cur_tf /(cur_tf +self.k*norm_lenght)
############# 结算结束 ################
if hasattr(X, 'dtype') and np.issubdtype(X.dtype, np.floating):
# preserve float family dtype
X = sp.csr_matrix(X, copy=copy)
else:
# convert counts or binary occurrences to floats
X = sp.csr_matrix(X, dtype=np.float64, copy=copy)
n_samples, n_features = X.shape
if self.sublinear_tf:
np.log(X.data, X.data)
X.data += 1
if self.use_idf:
check_is_fitted(self, '_idf_diag', 'idf vector is not fitted')
expected_n_features = self._idf_diag.shape[0]
if n_features != expected_n_features:
raise ValueError("Input has n_features=%d while the model"
" has been trained with n_features=%d" % (
n_features, expected_n_features))
# *= doesn't work
X = X * self._idf_diag
############# 中间项和结果相乘 ############
X = X.toarray()*middle_part
if not sp.issparse(X):
X = sp.csr_matrix(X, dtype=np.float64)
############# #########
if self.norm:
X = normalize(X, norm=self.norm, copy=False)
return X
@property
def idf_(self):
##################以下是TFIDFtransform代码##########################
# if _idf_diag is not set, this will raise an attribute error,
# which means hasattr(self, "idf_") is False
return np.ravel(self._idf_diag.sum(axis=0))
完整代码参考：https://github.com/SpringMagnolia/Bm25Vectorzier/blob/master/BM25Vectorizer.py
2.2.3 测试简单使用，观察BM25和Tf-idf的区别：
from BM25Vectorizer import Bm25Vectorizer
from sklearn.feature_extraction.text import TfidfVectorizer
if __name__ == '__main__':
# format_weibo(word=False)
# format_xiaohuangji_corpus(word=True)
bm_vec = Bm25Vectorizer()
tf_vec = TfidfVectorizer()
# 1. 原始数据
data = [
'hello world',
'oh hello there',
'Play it',
'Play it again Sam,24343,123',
]
# 2. 原始数据向量化
bm_vec.fit(data)
tf_vec.fit(data)
features_vec_bm = bm_vec.transform(data)
features_vec_tf = tf_vec.transform(data)
print("Bm25 result:",features_vec_bm.toarray())
print("*"*100)
print("Tfidf result:",features_vec_tf.toarray())
输出如下：
Bm25 result: [[0. 0. 0. 0.47878333 0. 0. 0. 0. 0. 0.8779331 ] [0. 0. 0. 0.35073401 0. 0.66218791 0. 0. 0.66218791 0. ] [0. 0. 0. 0. 0.70710678 0. 0.70710678 0. 0. 0. ] [0.47038081 0.47038081 0.47038081 0. 0.23975776 0. 0.23975776 0.47038081 0. 0. ]] ********************************************************************************** Tfidf result: [[0. 0. 0. 0.6191303 0. 0. 0. 0. 0. 0.78528828] [0. 0. 0. 0.48693426 0. 0.61761437 0. 0. 0.61761437 0. ] [0. 0. 0. 0. 0.70710678 0. 0.70710678 0. 0. 0. ] [0.43671931 0.43671931 0.43671931 0. 0.34431452 0. 0.34431452 0.43671931 0. 0. ]]
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