python实现的LDA算法

实现LDA算法需要用到一些数学和概率统计的知识,你需要根据LDA算法的具体公式,实现初始化模型参数、Gibbs采样、模型参数更新等具体的步骤。同时,还需要读取训练文件和词典文件,以及保存模型到文件的功能。

理解LDA算法的实现思路涉及到以下关键步骤:

初始化模型参数:
设置主题数(K), 超参数alpha, beta。
初始化文档-主题分布 (theta) 和 主题-词汇分布 (phi)。

读取文档数据,每行为一个文档,分词后用空格隔开。
构建词典,将每个词映射到唯一的整数。

class LDA:def __init__(self, alpha, beta, K, iter_num, top_words, wordmapfile, trnfile, modelfile_suffix):# ...def read_and_build_dictionary(self):# Read training file and build vocabulary# Implement code to read and build dictionary...

初始化文档-主题分布和主题-词汇分布:
为每个文档中的每个词随机分配一个主题。
根据分配的主题,初始化文档-主题分布和主题-词汇分布。

class LDA:def __init__(self, alpha, beta, K, iter_num, top_words, wordmapfile, trnfile, modelfile_suffix):# ...def initialize(self):# ...# Initialize document-topic and topic-word distributionsself.theta = np.random.dirichlet([self.alpha] * self.K, size=len(self.documents))self.phi = np.random.dirichlet([self.beta] * len(self.vocabulary), size=self.K)

Gibbs采样:
对每个文档中的每个词进行Gibbs采样。
在采样过程中,考虑当前文档-主题分布、主题-词汇分布以及词汇的分配情况。

class LDA:def __init__(self, alpha, beta, K, iter_num, top_words, wordmapfile, trnfile, modelfile_suffix):# ...def gibbs_sampling(self):# Implement Gibbs sampling algorithm...

更新模型参数:
根据采样得到的文档-主题分布和主题-词汇分布,更新模型的参数。
使用迭代方法逐步调整参数。

class LDA:def __init__(self, alpha, beta, K, iter_num, top_words, wordmapfile, trnfile, modelfile_suffix):# ...def update_model_parameters(self):# Update model parameters based on Gibbs sampling results# Implement parameter update code...

输出每个主题的前top_words个词:
根据学习到的主题-词汇分布,输出每个主题的前top_words个词,以便观察主题的含义。

class LDA:def __init__(self, alpha, beta, K, iter_num, top_words, wordmapfile, trnfile, modelfile_suffix):# ...def print_top_words_per_topic(self):# Output top_words words for each topic based on learned phi# Implement code to print top words...

保存模型:
将学习到的模型参数保存到文件,以备后续使用。

 class LDA:def __init__(self, alpha, beta, K, iter_num, top_words, wordmapfile, trnfile, modelfile_suffix):# ...def save_model(self):# Save model parameters, theta, phi, etc. to files# Implement code to save model...

实际实现中需要考虑数学计算的优化、数据结构的选择、算法的效率等方面的问题。详细的公式和算法细节可以参考LDA的相关文献。在实现过程中,需要使用numpy等工具进行矩阵运算,以提高效率。

实例:

alpha = 0.1

beta = 0.1

K = 10 //主题个数

iter_num = 50 //迭代次数

top_words = 20 //每个主题显示的词的个数

wordmapfile = ‘./model/wordmap.txt’ //wordmap文件存储位置

trnfile = “./model/test.dat” //训练文件

modelfile_suffix = “./model/final” //模型文件的存储位置以及前缀 ‘’’

输入文件的要求: 每行为一篇文档,分词后用空格隔开。

运行命令:

‘’’ python lda.py ‘’’

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-import random,osalpha = 0.1
beta = 0.1
K = 10
iter_num = 50
top_words = 20wordmapfile  = './model/wordmap.txt'
trnfile = "./model/test.dat"
modelfile_suffix = "./model/final"class Document(object):def __init__(self):self.words = []self.length = 0class Dataset(object):def __init__(self):self.M = 0self.V = 0self.docs = []self.word2id = {}    # <string,int>字典self.id2word = {}    # <int, string>字典def writewordmap(self):with open(wordmapfile, 'w') as f:for k,v in self.word2id.items():f.write(k + '\t' + str(v) + '\n')class Model(object):def __init__(self, dset):self.dset = dsetself.K = Kself.alpha = alphaself.beta = betaself.iter_num = iter_numself.top_words = top_wordsself.wordmapfile = wordmapfileself.trnfile = trnfileself.modelfile_suffix = modelfile_suffixself.p = []        # double类型,存储采样的临时变量self.Z = []        # M*doc.size(),文档中词的主题分布self.nw = []       # V*K,词i在主题j上的分布self.nwsum = []    # K,属于主题i的总词数self.nd = []       # M*K,文章i属于主题j的词个数self.ndsum = []    # M,文章i的词个数self.theta = []    # 文档-主题分布self.phi = []      # 主题-词分布def init_est(self):self.p = [0.0 for x in xrange(self.K)]self.nw = [ [0 for y in xrange(self.K)] for x in xrange(self.dset.V) ]self.nwsum = [ 0 for x in xrange(self.K)]self.nd = [ [ 0 for y in xrange(self.K)] for x in xrange(self.dset.M)]self.ndsum = [ 0 for x in xrange(self.dset.M)]self.Z = [ [] for x in xrange(self.dset.M)]for x in xrange(self.dset.M):self.Z[x] = [0 for y in xrange(self.dset.docs[x].length)]self.ndsum[x] = self.dset.docs[x].lengthfor y in xrange(self.dset.docs[x].length):topic = random.randint(0, self.K-1)self.Z[x][y] = topicself.nw[self.dset.docs[x].words[y]][topic] += 1self.nd[x][topic] += 1self.nwsum[topic] += 1self.theta = [ [0.0 for y in xrange(self.K)] for x in xrange(self.dset.M) ]self.phi = [ [ 0.0 for y in xrange(self.dset.V) ] for x in xrange(self.K)]def estimate(self):print 'Sampling %d iterations!' % self.iter_numfor x in xrange(self.iter_num):print 'Iteration %d ...' % (x+1)for i in xrange(len(self.dset.docs)):for j in xrange(self.dset.docs[i].length):topic = self.sampling(i, j)self.Z[i][j] = topicprint 'End sampling.'print 'Compute theta...'self.compute_theta()print 'Compute phi...'self.compute_phi()print 'Saving model...'self.save_model()def sampling(self, i, j):topic = self.Z[i][j]wid = self.dset.docs[i].words[j]self.nw[wid][topic] -= 1self.nd[i][topic] -= 1self.nwsum[topic] -= 1self.ndsum[i] -= 1Vbeta = self.dset.V * self.betaKalpha = self.K * self.alphafor k in xrange(self.K):self.p[k] = (self.nw[wid][k] + self.beta)/(self.nwsum[k] + Vbeta) * \(self.nd[i][k] + alpha)/(self.ndsum[i] + Kalpha)for k in range(1, self.K):self.p[k] += self.p[k-1]u = random.uniform(0, self.p[self.K-1])for topic in xrange(self.K):if self.p[topic]>u:breakself.nw[wid][topic] += 1self.nwsum[topic] += 1self.nd[i][topic] += 1self.ndsum[i] += 1return topicdef compute_theta(self):for x in xrange(self.dset.M):for y in xrange(self.K):self.theta[x][y] = (self.nd[x][y] + self.alpha) \/(self.ndsum[x] + self.K * self.alpha)def compute_phi(self):for x in xrange(self.K):for y in xrange(self.dset.V):self.phi[x][y] = (self.nw[y][x] + self.beta)\/(self.nwsum[x] + self.dset.V * self.beta)def save_model(self):with open(self.modelfile_suffix+'.theta', 'w') as ftheta:for x in xrange(self.dset.M):for y in xrange(self.K):ftheta.write(str(self.theta[x][y]) + ' ')ftheta.write('\n')with open(self.modelfile_suffix+'.phi', 'w') as fphi:for x in xrange(self.K):for y in xrange(self.dset.V):fphi.write(str(self.phi[x][y]) + ' ')fphi.write('\n')with open(self.modelfile_suffix+'.twords','w') as ftwords:if self.top_words > self.dset.V:self.top_words = self.dset.Vfor x in xrange(self.K):ftwords.write('Topic '+str(x)+'th:\n')topic_words = []for y in xrange(self.dset.V):topic_words.append((y, self.phi[x][y]))#quick-sorttopic_words.sort(key=lambda x:x[1], reverse=True)for y in xrange(self.top_words):word = self.dset.id2word[topic_words[y][0]]ftwords.write('\t'+word+'\t'+str(topic_words[y][1])+'\n')with open(self.modelfile_suffix+'.tassign','w') as ftassign:for x in xrange(self.dset.M):for y in xrange(self.dset.docs[x].length):ftassign.write(str(self.dset.docs[x].words[y])+':'+str(self.Z[x][y])+' ')ftassign.write('\n')with open(self.modelfile_suffix+'.others','w') as fothers:fothers.write('alpha = '+str(self.alpha)+'\n')fothers.write('beta = '+str(self.beta)+'\n')fothers.write('ntopics = '+str(self.K)+'\n')fothers.write('ndocs = '+str(self.dset.M)+'\n')fothers.write('nwords = '+str(self.dset.V)+'\n')fothers.write('liter = '+str(self.iter_num)+'\n')def readtrnfile():print 'Reading train data...'with open(trnfile, 'r') as f:docs = f.readlines()dset = Dataset()items_idx = 0for line in docs:if line != "":tmp = line.strip().split()#生成一个文档对象doc = Document()for item in tmp:if dset.word2id.has_key(item):doc.words.append(dset.word2id[item])else:dset.word2id[item] = items_idxdset.id2word[items_idx] = itemdoc.words.append(items_idx)items_idx += 1doc.length = len(tmp)dset.docs.append(doc)else:passdset.M = len(dset.docs)dset.V = len(dset.word2id)print 'There are %d documents' % dset.Mprint 'There are %d items' % dset.Vprint 'Saving wordmap file...'dset.writewordmap()return dsetdef lda():dset = readtrnfile()model = Model(dset)model.init_est()model.estimate()if __name__=='__main__':lda()

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