(02강) Word Embedding

One-hot Encoding 이외에 단어를 Embedding 할 수 있는 방법 중 Word2Vec과 GloVe에 대해 소개

1. Word Embedding

단어의 Vector화로 좌표공간에 표현하는 것. 연관성에 따라 유사한 좌표공간에 배치된다.

1.1. Sparse Representation (희소 표현)

• One-Hot Encoding 을 사용한 방법

  • vocab : {"Jone", "really", "loves", "this", "movie", "Jane", "likes", "song"}

  • {[1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0], [0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0], ..., [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1]}

1.2. Dense(Distributed) Representations (밀집 표)

각각의 속성이 독립적인 차원(One-Hot)으로 나타내지 않게 된다. 대신 우리가 정한 갯수의 차원으로 대상을 대응 시켜 표현하게 된다. 예를 들어 5차원으로 표현하기로 한다면,

• vocab : {"Jone", "really", "loves", "this", "movie", "Jane", "likes", "song"}

• {[0.37, -2.11, 2.7, -0.11, 0.65]..., }

위와 같이 표현할 수 있을 것이다. 하지만 위 데이터에서는 여러 속성이 섞여 한 차원을 이루기 때문에 각 차원의 값이 무슨 의미를 가지는 지는 알 수 없다.

Sparse Representation 보다 가지는 장점은 아래와 같다.

• 고정된 차원으로 불필요한 메모리를 줄일 수 있다.

• 더 큰 일반화(Generalization)을 가지고 있다. 가령 '강아지'와 '멍멍이'가 서로 비슷한 벡터로 표현되면 '강아지'에 대한 정보가 '멍멍이'에도 일반화 될 수 있다.

위와 같이 단어를 밀집 벡터의 형태로 표현하는 방법을 워드 임베딩 이라고 하며, 그 결과를 임베딩벡터라고도 한다. Word2Vec과 GloVe는 워드 임베딩 방법 중 하나이다.

1.3. Word2Vec 🎇

구글에서 개발한 Word2Vec은 분포 가설(Distributional Hypothesis)을 가정하에 표현한 분산 표현을 따른다. 예를 들어 '강아지'라는 단어가 '귀엽다', '예쁘다' 등의 단어와 자주 발생한다면 분포가설에 맞춰 벡터화 한 해당 단어들은 되면 유사한 값, 근접한 위치에 분포할 것이고 그 단어들은 의미적으로 유사한 단어가 된다는 뜻이다. (인접한 단어들 간에 의미가 비슷할 것이다.)

간단한 인공신경망 모형을 기반으로 학습데이터의 규모가 10억 단어 이상으로 커져도 요구되는 계산량을 낮은 수준으로 유지 할 수 있다는 큰 장점을 가지고 있다. 이는 병렬화(parallelization)를 통해 짧은 시간에 양질의 단어 벡터 표상을 얻을 수 있기 때문이다.

1.3.1. Working Step

• Sentence : "I study math"

• Vacabulary : {"I", "study", "math"}

• Input : "study" [0, 1, 0]

• Output : "math" [0, 0, 1]

1. CBoW (Continuous Bag of Words) 주변에 있는 단어들로 중간에 있는 단어를 예측하는 방법

   • Window: 묶음 -> window size 3 ("I", "study") / ("study", "I"), ("study", "math") / ("math", "study")

2. 예측 Task를 수행하는 2-Layer의 NN을 가지게 된다.

   • Input과 Output의 size 은 단어의 수와 동일하다 (여기서는 3개)

   • hidden layer의 node 수는 hyperparameter로써 word embedding을 수행하는 차원수와 동일하게 설정한다. (2로 세팅한다 해보자)

   • $W_1$은 3차원의 Input을 받아서 2차원인 hidden layer로 보내기에 (3x2) Matrix가 되고, $W_2$는 2차원의 hidden layer로 부터 3차원의 output을 구해야하므로 (2x3) Matrix가 된다. (실제 x와의 곱은 transpose 하여 곱해짐)

   • Softmax loss를 적용하여 $W1, W2$의 학습이 이루어 지게 된다.

   • Ground Truth (정답)에 해당하는 값은 inf, 아닌 값은 -inf 일 때, softmax의 결과가 ground truth의 결과와 가장 유사해 진다.

🎇 Skip-gram CBoW와 반대로 중심단어를 보고 어떤 주변 단어가 존재하는지 예측하는 모델이다. 모델의 구성 또한 CBoW의 input과 output이 반대로 된 구성을 가지고 있다.

1.3.2. Word2Vec 시각

wevi: word embedding visual inspector

wevironxin.github.io

• 학습을 진행한 후에 보게 되면 Input의 juice가 drink의 output과 유사하게 나타남을 알 수 있고, 마찬가지로 drink에 속하는 milk의 input 또한 juice의 input과 유사함을 알 수 있다. 따라서 juice와 drink의 내적값이 최대가 될 것이다.

• input vector와 output vector 중 어느것을 embedding vector로 사용해도 무관하나 보통 input vector를 embedding vector로 사용한다.

• 유사한 값끼리 뭉쳐있음을 확인할 수 있다.

• 한국-서울 을 통해 도쿄가 입력되었을때, 일본을 출력할 수 있는 것을 확인할 수 있다.

1.3.3. Application of Word2Vec

• Word Similarity

• Machine Translation

• Part-of-speech tagging

• Named entity recognition

• Sentiment analysis

• Clustering

• Semantic lexicon building

등 다양한 Task에서 성능향상에 주된 역할을 하였다.

1.4. GloVe (Global Vectors for Word Representation)

• 각 입력, 출력 단어 쌍들에 대해서 학습데이터에서 한 윈도우 내에서 몇 번 동시에 출현하였는지를 사전에 먼저 계산을 한다.

• input word의 embedding vector $u_i$와 output word의 embedding vector $v_j$의 내적값에서 한 윈도우내에서 두단어가 동시에 몇번 등장했는지에 대한 값에 log를 취한 값을 뺀 값을 Loss Function으로 사용한다.

  • $J(\theta) = \frac{1}{2} \sum_{i, j = 1}^{W}{f(P_{ij})(u_i^Tv_j-log{P_{ij}})^2}$

• 중복되는 계산을 줄여줄 수 있다는 장점을 가지고 있고, 보다 적은 데이터에 대해 나은 성능을 가질 수 있다.

참고코드 Link

2_word2vec.ipynbGoogle Docs

Reference

http://www.goldenplanet.co.kr/blog/2021/05/10/%EB%B9%85%EB%8D%B0%EC%9D%B4%ED%84%B0-%EA%B3%B5%EB%B6%80-%ED%95%9C-%EA%B1%B8%EC%9D%8C-word2vec-%EC%9D%B4%EB%9E%80/www.goldenplanet.co.kr