kerasでword2vecを転移学習し、分類モデルの構築

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Keras Python word2vec 自然言語処理 機械学習 Python テキストリンク

目標

教師なしデータを使い、word2vecを学習させ、それをEmbedding層としてテキスト分類問題に応用する。

知識

word2vec

単語をベクトル化する。今回はpythonライブラリであるgensimを使用して、実装する。このライブラリは以下の論文を参考にしている。

・Efficient Estimation of Word Representations in Vector Space
・Distributed Representations of Words and Phrases and their Compositionality

転移学習

転移学習とは学習済みのモデルを利用して、新たなモデルを構築する手法である。
今回の場合でいうと、次のようである。

学習済みのモデル→gensimのword2vecモデル
新たなモデル→文書分類モデル

転移学習を利用した文書分類の論文

Convolutional Neural Networks for Sentence Classification

転移学習についての記事

https://qiita.com/icoxfog417/items/48cbf087dd22f1f8c6f4
http://www.yasuhisay.info/entry/2016/12/05/000000

また、転移学習と似たもので事前学習がある。事前学習にはAutoEncoderと制約付きボルツマンマシンがある。転移学習と事前学習の詳しい違いがわからない。

実装

データセット作成

今回は歌の歌詞を歌手ごとに分類することを目的とする。

docs = [text2doc(song['lyric']) for song in songs]
artists = [song['artist_name'] for song in songs]

・text2doc関数ではテキストを分かち書きして、自立語のみを取り出して、リストにして返している。

example
docs = [['わたし', '犬', 'なる'], ...]
artists = ['星野源', '福山雅治', ...]

学習済みのword2vecモデルの読み込み

from gensim.models import KeyedVectors
model_path = 'path/to/entity_vector.model.bin'
wv_model = KeyedVectors.load_word2vec_format(model_path, binary=True)
index2word = wv_model.wv.index2word
word2index = {word : i for i, word in enumerate(index2word)}
vocab = word2index.keys()

・KeyedVectorsでword2vecモデルを読み込んでいる。
・上のデータをid化する時に、index2wordやword2indexが必要なので、ここで読み込んでおく。

学習データの作成

上のデータはまだテキストが含まれているので、kerasで学習できるようなデータ型に変更する。テキストから数字に変更する際に上で作った辞書によりid化する。

xの作成
x_bag_of_words = np.zeros((len(docs), len(vocab)))
for i, doc in enumerate(docs):
    for word in doc:
        if word in vocab:
            x_bag_of_words[i][word2index[word]] += 1
yの作成
from sklearn.preprocessing import LabelEncoder
le = LabelEncoder()
label_ids = le.fit_transform(artists)
y = np.zeros((len(docs), len(le.classes_)))
for i, label_id in enumerate(label_ids):
    y[i][label_id] = 1

・xもyもbag_of_wordsしているだけです。
・LabelEncoder便利

from sklearn.model_selection import train_test_split
x_train , x_test, y_train, y_test = train_test_split(x_bag_of_words, y, test_size=0.2)

最後にtrainデータとtestデータに分けて完成です。

モデル作成

kerasのmodel function APIを利用しています。Sequenceモデルを使わなかったのはmodel function APiの方が自由自在にかけると書いてあったからです。

https://qiita.com/Mco7777/items/1339d01bc6ef028e7b44

from keras.layers import Dense, Activation, Input, Flatten
from keras.layers.convolutional import Conv1D
from keras.layers.recurrent import LSTM
from keras.models import Model

inputs = Input(shape=((x_train.shape[1],)))
embed = wv_model.get_keras_embedding(train_embeddings=True)(inputs)
embed = LSTM(100)(embed)
hiddened = Dense(50)(embed)
hiddened = Activation('relu')(hiddened)
pred = Dense(len(le.classes_))(hiddened)
pred = Activation('sigmoid')(pred)
model = Model(inputs=inputs, outputs=pred)

・特筆していうべきところはwv_model.get_keras_embedding()くらいです。これはgensimのword2vecに実装してある関数で、このようにkerasのEmbedding層を書き出します。
・あとはEmbedding層で、入力が二次元だったのが、出力が三次元になっています。ここはLSTMでうまく吸収しています。Conv層で吸収することもできそうですが、やってないです。ここは色々論文を見て、変える価値がありそうです。

学習

model.compile(optimizer='sgd', loss='categorical_crossentropy')
model.fit(x_train, y_train, epochs=1, batch_size=32, verbose=1)

評価

学習中

結果

学習中

疑問・課題

・転移学習と事前学習の違い
・Convolutional Neural Networks for Sentence Classificationを読む