02.C1W1.Sentiment Analysis with Logistic Regression

Supervised ML and Sentiment Analysis
- Supervised ML (training)
- Sentiment analysis
Vocabulary and Feature Extraction
- Vocabulary
- Feature extraction
- Sparse representations and some of their issues
Negative and Positive Frequencies
Feature extraction with frequencies
Preprocessing
- Preprocessing: stop words and punctuation
- Preprocessing: Handles and URLs
- Preprocessing: Stemming and lowercasing
Putting it all together
- General overview
- General Implementation
Logistic Regression Overview
Logistic Regression: Training
- 图形化
- 数学化
Logistic Regression: Testing
opt. Logistic Regression:Cost Function
作业注意事项

Supervised ML and Sentiment Analysis

Supervised ML (training)

在这里插入图片描述
模型吃参数 $θ$ 来映射特征 $X$ 以输出标签 $\hat Y$ ，之前讲过太多，不重复了

Sentiment analysis

SA任务的目标是用逻辑回归分类器，预测一条推文的情绪是积极的还是消极的，如下图所示，积极情绪的推文都有一个标签：1，负面情绪的推文标签为0
在这里插入图片描述

大概步骤如上图：

处理训练集中的原始tweets并提取有用的特征 $X$
训练Logistic回归分类器，同时最小化成本函数
使用训练好的分类器对指定推文进行情感分析预测

Vocabulary and Feature Extraction

Vocabulary

假设有训练集中有m条推文：
在这里插入图片描述
则词表（库）可表示为所有不重复出现的所有单词列表，例如上面的I出现两次，只会记录一次：

Feature extraction

这里直接简单使用单词是否出现来对某个句子进行特征提取：
在这里插入图片描述
如果词表大小为10W，则该句子的特征向量大小为1×10W的，单词出现在句子中，则该词的位置为1，否则为0，可以看到，句子的特征向量非常稀疏（称为稀疏表示Sparse representation）。

Sparse representations and some of their issues

稀疏表示使得参数量大，对于逻辑回归模型，需要学习的参数量为n+1，n为词表大小，进而导致以下两个问题：
在这里插入图片描述

Negative and Positive Frequencies

将推文语料库分为两类：正面和负面；
计算每个词在两个类别中出现的次数。
假设语料如下（四个句子）：

Corpus
I am happy because I am learning NLP
I am happy
I am sad, I am not learning NLP
I am sad

对应的词表如下（八个词）：

Vocabulary
I
am
happy
because
learning
NLP
sad
not

对语料进行分类：

Positive tweets	Negative tweets
I am happy because I am learning NLP	I am sad, I am not learning NLP
I am happy	I am sad

按类型构造词频表（小伙伴们可以自行写上对应的数字，例如：happy数字为2）
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
总表如下：

接下来就是要利用以上信息来进行特征提取。

Feature extraction with frequencies

推文的特征可由以下公式表示：
在这里插入图片描述
其中freqs函数就是上节表中单词与情感分类对应的频率。
例子：
I am sad, I am not learning NLP
对应正例词频表（图中应该是下划线）：

可以算出正例词频总和为：3+3+1+1=8
对应负例词频表：

可以算出负例词频总和为：3+3+1+1+2+1=11
则该推文的特征可以表示为三维向量：
$X_m=[1,8,11]$
这样的表示去掉了推文稀疏表示中不重要的信息。

Preprocessing

数据预处理包括：
Removing stopwords, punctuation, handles and URLs;
Stemming;
Lowercasing.
中心思想：去掉不重要和非必要信息，提高运行效率

Preprocessing: stop words and punctuation

推文实例（广告植入警告）：
@YMourri and @AndrewYNg are tuning a GREAT AI model at https://deeplearning.ai!!!
假设停用词表如下（词表通常包含的停用词比实际语料中的停用词要多）：

Stop words
and
is
are
at
has
for
a

交叉比较去掉停用词中的内容后：
@YMourri @AndrewYNg tuning GREAT AI model https://deeplearning.ai!!!
假设标点表如下：

Punctuation
,
.
:
!
“
‘

去掉标点后结果如下：
@YMourri @AndrewYNg tuning GREAT AI model https://deeplearning.ai
际这两个表可以合并在一块，当然有些任务标点符号也包含重要信息，因此是否去掉标点要根据实际需要来做。

Preprocessing: Handles and URLs

这里继续对标识符和网址进行处理，通常这些内容对于SA任务而言，并不能提供任何情绪价值。
上面的推文处理后结果如下：
tuning GREAT AI model
可以看到，去掉非必要信息后，得到结果是一条正面的推文。

Preprocessing: Stemming and lowercasing

Stemming 是一种文本处理技术，目的是将词汇还原到其基本形式，即词干。例如，将 “running” 还原为 “run”。
Lowercasing 是将所有文本转换为小写，以消除大小写带来的差异，便于统一处理。
例如第一个单词词干为tun：
在这里插入图片描述
第二个单词：

这样处理能减少词库中单词数量。最后推文处理后结果为：
[tun, great, ai, model]

Putting it all together

General overview

本节将对整组推文执行特征提取算法（Generalize the process）
根据之前的内容：数据预处理，特征提取，我们可以将下面推文进行处理：

I am Happy Because i am learning NLP @deeplearning
↓ Preprocessing后
[happy, learn, nlp]
↓ Feature Extraction后
[1,4 ,2]

其中，1 是Bias，4是Sum positive frequencies，2是Sum negative frequencies

对于多条推文则有：
在这里插入图片描述
最后的多个特征向量就可以组合成一个矩阵，大小为m×3，矩阵每一行都对应一个推文的特征向量

General Implementation

freqs =build_freqs(tweets,labels) #Build frequencies dictionary，已提供
X = np.zeros((m, 3 )) #Initialize matrix X
for i in range (m): #For every tweetp_tweet = process_tweet(tweets[i]) #Process tweet，已提供X[i, :]= extract_features(train_x[i], freqs)#需要在作业中自己实现

Logistic Regression Overview

最开始的有监督的机器学习中，回顾了主要步骤，这里我们只需要将中间的预测函数替换为逻辑回归函数Sigmoid即可。
在这里插入图片描述
Sigmoid函数形式为：
$h(x^{(i)},\theta)=\cfrac{1}{1+e^{-\theta^Tx^{(i)}}}$
i为第i条数据
θ是参数
x是数据对应的特征向量
图像形式为：

其函数值取决于 $\theta^Tx^{(i)}$ ：

例如：
@YMourri and @AndrewYNg are tuning a GREAT AI model
预处理后结果为：
[tun, ai, great, model]
根据词库进行特征提取后可能得到以下结果：
$\begin{equation*} x^{(i)} = \begin{bmatrix} 1 \\ 3476 \\ 245 \end{bmatrix} \quad \text{and} \quad \theta = \begin{bmatrix} 0.00003 \\ 0.00150 \\ -0.00120 \end{bmatrix} \end{equation*}$
带入sigmoid函数后得到：
在这里插入图片描述

Logistic Regression: Training

上一节内容中，我们使用了给定的参数 $\theta$ 来计算推文的结果，这一节我们将学会如何通过训练逻辑回归模型来找到最佳的参数 $\theta$ （梯度下降）。

图形化

先将问题简化，假设LR模型中只有两个参数 $\theta_1$ 和 $\theta_2$ 则函数的参数图像为下左，下右为Cost函数的迭代过程：
在这里插入图片描述
刚开始，我们初始化两个参数 $\theta_1$ 和 $\theta_2$ ，对应的Cost值为：

根据GD方向进行参数更新，100次后：

200次后：

若干次后：

直到最佳cost附近：

数学化

整个梯度下降过程可以表示为下图，注意左右是一一对应关系，结合起来看：
在这里插入图片描述

Logistic Regression: Testing

使用验证集计算模型精度，并了解准确度指标的含义。
现在我们手上有验证集： $X_{val},Y_{val}$ ，以及训练好的参数 $\theta$
先计算sigmoid函数值（预测值）： $h(X_{val},\theta)$
然后判断验证集中每一个数据的预测值是否大于阈值（通常为0.5）：
$pred=h(X_{val},\theta)\ge 0.5$
在这里插入图片描述
最后的预测结果是一组矩阵：

有了预测结果，就可以将其与标签 $Y_{val}$ 比较，计算准确率：
$\sum_{i=1}^m\cfrac{(pred^{i}==y^{(i)}_{val})}{m}$
m是验证集中数据个数
分子如下图所示，绿色是预测正确，黄色是预测不正确的：
在这里插入图片描述
正确率计算实例：
假设计算的预测值与标签如下：

分子则为：

正确率： $accuracy=\cfrac{4}{5}$

opt. Logistic Regression:Cost Function

可选看内容：逻辑成本函数（又称二元交叉熵函数），公式为：
$J(\theta)=-\cfrac{1}{m}\sum_{i=1}^m\left[y^{(i)}\log h(x^{(i)},\theta)+(1-y^{(i)})\log (1-h(x^{(i)},\theta)\right]$
$\cfrac{1}{m}\sum_{i=1}^m$ 中，m是样本数量，这里是将所有训练样本的cost进行累加，然后求平均。
对于中括号的第一项 $y^{(i)}\log h(x^{(i)},\theta)$ ，不同取值有不同结果，总体而言，负例样本 $y^{(i)}=0$ ，无论预测值 $h(x^{(i)},\theta)$ 是什么这项为0，而预测值与标签值相差越大，Cost越大：
在这里插入图片描述