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【自然語言處理】認識文本分析｜給我一段話，我告訴你重點在哪：對文本重點字詞加權的TF-IDF方法

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適逢上週五2019數位奇點獎，敝公司獲得【最佳數據科技創新獎】銅獎；當中的案件我們使用到tfidf產生的文本向量做KMeans分群。正好想試試再讓文章簡單好懂一點，本周就單純只介紹這個文本分析很常用到的統計方法：TF-IDF。

一句話解釋TF-IDF——用來從一段文字/一個語料庫中，給越重要的字詞/文檔，越高的加權分數。
本篇文章共三段，第一段講述概念與公式，第二段帶一個簡單的script印出一句話的tfidf稀疏矩陣，最後第三段提及TF-IDF的限制和改進。

預計閱讀時間：5–8 mins。

概念解釋

你看，TF – IDF ，前面的TF是Term Frequency的縮寫，後面的IDF是Inverse Document Frequency的縮寫，合在一起則說明了它如何計算出誰是相對比較重要的字詞——字詞的重要性隨著 在文本出現的頻率越高則越高；在不同文本檔案間出現的次數越高則反而降低。
所以聰明的你會猜得到，它由兩個公式組成：

1. TF (Term Frequency) 詞頻

我們先把拆解出來的每個詞在各檔案出現的次數，一一列出，組成矩陣。接著當我們要把這個矩陣中，『詞1』在『文件1』的TF值算出來時，我們是用『詞1在文件1出現的次數』除以『文件1中所有詞出現次數的總和(可說是總字數)』。
如此一來，我們才能在不同長度的文章間比較字詞的出現頻率。

2. IDF (Inverse Document Frequency) 逆向檔案頻率

如果經過第1步的計算，此時我們有兩個詞頻一樣的字詞，還有什麼變數影響他們可能更重要 或 不重要？

如果有一個詞事實上很常出現在不同文章內，那即使該字詞的頻率很高，它是不是不足以代表這篇文章？ 拿藝人上電視節目舉例，如果藝人A和藝人B上X視節目的次數相同；但藝人A只上X視節目，藝人B還會出現在X立、X大的節目，對X視節目來說，最具代表性的還是藝人A，而不是有可能在X立、X大上過更多次節目的藝人B。

所以我們這裡再用IDF，計算該詞的「代表性」。
由『文章數總和』除以『該字詞出現過的文章篇數』後，取log值*。實際應用中為了避免分母=0，因此通常分母會是dt+1。

＊注：
IDF之所以取log的原因，有過多篇論文討論。把「詞在所有文章出現的篇數」想成「要從這些文章中，隨機抽一篇能夠抽到包含該詞的文章的『機率』有多少」；也就是這個詞在這些文章中被找到的機率分布。

另一個原因是，如果不取log，比方說總數是100000篇文章，如果因為拼錯字導致此詞僅有1篇出現過，TF-IDF最後給這詞的加權會出現太大的值，使得線性加權方式反而表現得沒那麼好。

綜合兩個公式值相乘，便得到我們今天介紹的TF-IDF值：

程式實作

結束前，我們用scikit-learn 提供的CountVectorizer, TfidfTransformer來試著對多個句子產生tfidf值矩陣。（＊注意：要經過斷詞處理後再做tfidf）

另外值得一提的是，如果是英文文本實作tfidf，通常還會需要詞型還原 Stemming（譬如：teach / taught，理當視為同義，不可以讓tfidf算成兩種詞），因為有文法時態、單複數的問題。

1. 引入套件

from sklearn.feature_extraction.text import TfidfTransformer
from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer
import jieba
jieba.set_dictionary('../../zh-TW_dict/dict.txt.big.txt') # 使用官方的繁體詞典

2. 再額外設定停用字符

stopword_list_ch = pd.read_csv('../../zh-TW_dict/stopwords.csv')
stopword_list_ch = list(stopword_list_ch['$'].values)
manual_stop_list = [',','.','*',':',';','#','@','!','%','^','&','+','=','~','『 ','\\n','{','}','-','|','(',')',',','˙','..','/','...','$','\r','\n','\t',' ','\r\n','▼','｜','【','】','[',']','「','」','★','▎','↘','◤']
for w in manual_stop_list:
    stopword_list_ch.append(w)
stopword_list_ch

3. 處理文章資料

df_article = pd.read_csv('your_file.csv')jieba_results = []
for sent in df_article.sentences:
    w_string = str()
    ws = jieba.cut(sent, cut_all=False) # 精確模式
    for w in ws:
        if w not in stopword_list_ch:
            w_string += w + ' '
    jieba_results.append(w_string)df_article['sent_jieba'] = jieba_results

4. 基本tfidf script

vectorizer = CountVectorizer(stop_words = manual_stop_list)
transformer = TfidfTransformer()
X = vectorizer.fit_transform(df_article.sent_jieba)
tfidf = transformer.fit_transform(X)
weight = tfidf.toarray()

5. 檢視結果

print(weight.shape)
print(tfidf[0])
print(weight[0])

這邊我們先拿前5個句子來測試，所以你會看到weight.shape是(5, 39)，它是指有5列、39行的矩陣構成；一列就是一個句子，39行是指這5句裡所有出現過的不重複字詞共有39個。矩陣裡的數值就是這39個詞，在這5句中的tfidf值。

＊tfidf的output因為是個sparse matrix(稀疏矩陣，未來我們有機會講到)，tfidf.toarray() 可轉換成2-dimensional ndarray的形式。

tfidf[0]是指，第1句的tfidf稀疏矩陣，紀錄第幾列、第幾行的非零值是多少。weight[0]則完整印出39個詞在第一句中的tfidf值，0則代表這詞沒出現在第一句。

你可以想像，如果我們對每一句做完tfidf值，這樣的矩陣代表我所有的詞庫中，誰對哪篇文章有加權到；所以如果有兩篇文章的tfidf矩陣非零的位置一樣，則這兩篇加權到的字詞一致，表示這兩篇文章意思可能更相近。

TF-IDF的限制及改進方向

TF-IDF是個相對構成簡單的算法，有一些情境下它會誤判特徵詞的重要度：

  1. 語料庫中剛好都是同類文章，此時具代表性的字詞反而不被加權。
    譬如：都是講行銷的文章一起放到語料庫被訓練，因為幾乎每一篇都提到『數位行銷』，最後結果出來，『數位行銷』的IDF值反而比『客戶』、『用戶』之類的詞更低。若使用TF-IDF方法，要注意語料庫的挑選。
  2. TF-IDF無法考慮到位置訊息。如果你的情況是 文章標題、文章第一句或文章結尾提到其實代表這個詞更重要，此時用TF-IDF就無法參考到詞在文章中的位置訊息。

針對第一點，網路有文章提出了「TF-IWF」，以及「TF-DFIDFO」兩種改善方法。

TF-IWF 詞語逆頻率加權

TF的部分不變，差別在IWF值算法改成：

分子：整個語料庫中所有字詞的總頻次(總字詞數)
分母：該字詞在 整個語料庫中 出現的總次數
（簡單說，就是從指參考一篇文章，改成參考整個語料庫(所有文章)）

改進優點：
避免當語料庫中有高比例的同類別文章時，重要特徵詞的權重沒有被提升到。

TF-DFIDFO 類別頻率加權

DFI是指「同類別內的分布情況」、DFO則是指「類別間的分布情況」。

網路上只有一篇中國研究講到TF-DFIDFO，照著研究意思先把公式編輯下來，未來有機會再深入理解

改進優點：
增強對”類別”的區分力。

資料來源：
– TF-IDF for document ranking from scratch in Python on real world dataset
– tf-idf 算法中idf为何使用对数？直接用比值或者其他函数不行吗
– TF-IDF模型的概率解释
– TF-IDF之极简化信息论分析
– TF-IDF存在的問題及其改進
– 特征加权之TFIWF
– 改进的TF-IDF中文本特征词加权算法研究

好的，以上就是本周 Python 文本分析的連載。
前段是自己的理解+基本定義、後段限制和改進的部分，是網路資料的回溯歸納。
有問題歡迎留言詢問，看到我會盡力回答的。

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