神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，中文分詞還有必要嗎？

【導(dǎo)讀】通常，中文文本處理的第一步稱為分詞，這好像已經(jīng)成為一種“共識(shí)”，但對(duì)其必要性的研究與探討很少看到。本文中，作者就提出了一個(gè)非?；A(chǔ)的問題：基于深度學(xué)習(xí)方法的自然語(yǔ)言處理過程中，中文分詞（CWS）是必要的嗎？

近日，香濃科技 AI 團(tuán)隊(duì)（Shannon AI）與斯坦福大學(xué)聯(lián)合聯(lián)合發(fā)表了一篇研究《Is Word Segmentation Necessary for Deep Learning of Chinese Representations》，并被 ACL 2019 接收。

在這項(xiàng)研究中，作者在四個(gè)端到端 NLP 基線任務(wù)中進(jìn)行評(píng)測(cè)，對(duì)比基于分詞的 word model （“詞”級(jí)別）和無需分詞的 char model （“字”級(jí)別）兩種模型的效果，評(píng)測(cè)內(nèi)容包括語(yǔ)言建模、機(jī)器翻譯、句子匹配/改寫和文本分類。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，基于char model 比 word model 效果更優(yōu)。

論文中，本文還進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)分析了兩種模型存在差異的原因。作者認(rèn)為，除了大家都認(rèn)為的 OOV（out-of-vocabulary） 帶來的影響， word model 的 data sparsity （數(shù)據(jù)稀疏）問題也是導(dǎo)致過擬合的一個(gè)重要原因。也正是希望這項(xiàng)研究，可以讓大家發(fā)現(xiàn)分詞有意思的地方，還有它還未曾被大家挖掘、探索的一面，以及rethinking 分詞在基于深度學(xué)習(xí)模型的 NLP 任務(wù)的必要性。

論文作者之一，香濃科技（Shannon AI）李紀(jì)為也參與到這項(xiàng)研究中，還在知乎上回答了大家對(duì)這篇研究的疑問。

問：如何評(píng)價(jià)李紀(jì)為的論文Is Word Segmentation Necessary?

李紀(jì)為：中文分詞確實(shí)是個(gè)非常有意思、也很重要的話題，這篇文章嘗試拋磚引玉去探究一下這個(gè)問題，也希望這一問題獲得學(xué)術(shù)界更廣泛的重視。因?yàn)橹暗墓ぷ鳎衷~本身的優(yōu)缺點(diǎn)并沒有詳盡地被探討。鑒于筆者本身的局限性，文章在 intro 的結(jié)尾也提到：Instead of making a conclusive (and arrogant) argument that Chinese word segmentation is not necessary, we hope this paper could foster more discussions and explorations on the necessity of the long-existing task of CWS in the community, alongside with its underlying mechanisms.

這個(gè)問題涉及到的更本質(zhì)的問題，就是語(yǔ)言學(xué)的structure在深度學(xué)習(xí)的框架下有多重要 (因?yàn)樵~是一種基本的語(yǔ)言學(xué)structure)。這個(gè)問題近兩年學(xué)者有不同的爭(zhēng)論，有興趣的同學(xué)可以看 manning 和 lecun的 debate。更早的15年，manning 和 andrew ng 就有過討論，當(dāng)時(shí) andrew的想法比lecun還要激進(jìn)，認(rèn)為如果有足夠的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和強(qiáng)有力的算法，哪怕英文都不需要word，char就夠了。

debate 鏈接：

https://www.youtube.com/watch?v=fKk9KhGRBdI

也有網(wǎng)友質(zhì)疑論文中的實(shí)驗(yàn)：

@Cyunsiu To：這類論文是有意義的，但是這篇論文的實(shí)驗(yàn)持質(zhì)疑態(tài)度。

這篇文章在分析分詞不 work 的時(shí)候，很大一部分把不 work 的原因歸因于 oov 太多，我個(gè)人不認(rèn)同，至少分類動(dòng)不動(dòng)就能開十萬(wàn)+ 級(jí)別的詞表，一方面 oov 不會(huì)太多，另一方面即使 oov 太多，也應(yīng)該分析一下哪些 oov 導(dǎo)致模型不 work 吧，其實(shí)我個(gè)人認(rèn)為根本不是 oov 的原因造成的。要不然英文里面的 word 也不會(huì) work 了。

對(duì)此，李紀(jì)為回答道：

李紀(jì)為：文章提到幾個(gè)方面，OOV 是其中一個(gè)方面，但并不是所有。除了 OOV 之外， data sparsity 也是一個(gè)重要原因。從文章的圖2上看，在同樣的數(shù)據(jù)集上，對(duì)于不同 OOV 的frequency bar (意思是 frequency 小于 1 算作 OOV，還是 frequency 小于 5 算作 OOV)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是先升再降的。這個(gè)其實(shí)也比較好理解，如果 frequency bar 小，對(duì)于那些 infrequent 的詞會(huì)單獨(dú)認(rèn)為是詞，而不是 OOV。因?yàn)?data sparsity 的問題，會(huì)使學(xué)習(xí)不充分，從而影響了效果。 從這個(gè)角度，char 模型比 word 模型會(huì)學(xué)習(xí)得更充分。

以上回答來源

https://www.zhihu.com/question/324672243

究竟這項(xiàng)論文中是如何實(shí)驗(yàn)對(duì)比得出 char 模型效果優(yōu)于 word 模型效果的？OOV 和 data sparsity 又帶來了哪些影響？下面我們就為大家解讀分析。

一、介紹

英文（以及其他基于拉丁字母的語(yǔ)言）和中文（以及其他沒有明顯的詞語(yǔ)分隔符的語(yǔ)言，如韓文和日文）存在一個(gè)明顯的差別：根據(jù)空格就能很明顯、直接地識(shí)別每個(gè)英文詞，但中文中并不存在這樣的詞語(yǔ)分隔符，這也是中文分詞任務(wù)（CWS）的來源。在深度學(xué)習(xí)中，詞往往是操作的基本單位，本文將此種模型稱為基于詞語(yǔ)的模型（word model）。在模型中，分詞后得到的詞語(yǔ)，再使用固定長(zhǎng)度的向量來表示，這就和英語(yǔ)詞語(yǔ)的處理方式相同了。那 word model 存在哪些缺陷呢？

首先，data sparsity會(huì)導(dǎo)致模型出現(xiàn)過擬合，OOV則會(huì)限制模型的學(xué)習(xí)能力。根據(jù)齊普夫定律（Zipf’s law），很多中文詞的出現(xiàn)頻率都非常低，這使得模型難以學(xué)習(xí)到詞語(yǔ)的語(yǔ)義信息。以使用較為廣泛的 Chinese Treebank 數(shù)據(jù)集（Chinese Treebank dataset, CTB）為例進(jìn)行說明。通過使用結(jié)巴分詞對(duì) CTB 數(shù)據(jù)集進(jìn)行切詞，可以得到615，194個(gè)詞語(yǔ)，其中不同詞語(yǔ)50，266個(gè)。這些詞語(yǔ)中，有24，458個(gè)詞僅出現(xiàn)一次，占總詞數(shù)的48.7%，僅占語(yǔ)料的4%。表1展示了針對(duì)這一語(yǔ)料的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以看出基于詞語(yǔ)的數(shù)據(jù)集非常稀疏。由于詞語(yǔ)數(shù)的增加會(huì)使模型參數(shù)增多，數(shù)據(jù)稀疏很容易引起過擬合問題。另外，由于維護(hù)大規(guī)模的詞語(yǔ)-向量表存在難度，很多詞語(yǔ)都會(huì)被處理為OOV，進(jìn)一步限制了模型的學(xué)習(xí)能力。

表1 CTB 詞語(yǔ)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

第二，現(xiàn)在的分詞技術(shù)還存在很多問題，分詞不當(dāng)產(chǎn)生的錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致 NLP 任務(wù)出現(xiàn)偏差。中文中詞語(yǔ)并沒有清晰的邊界，增加了中文分詞的難度和復(fù)雜性。從不同的語(yǔ)言學(xué)角度來看，中文分詞也可以有不同的標(biāo)準(zhǔn)。從表2展示的例子可以看出，在使用最廣泛的兩個(gè)中文分詞數(shù)據(jù)庫(kù) PKU 和 CTB 中，相同的句子存在不同的分詞結(jié)果。

表2 CTB 和 PKU 不同的分詞標(biāo)準(zhǔn)

第三，分詞產(chǎn)生的收益效果尚不明確。還取決于帶標(biāo)簽的 CWS 數(shù)據(jù)能夠帶來附加語(yǔ)義信息的多少。對(duì)于word model 和 char model而言，兩者的差異在于是否使用了帶標(biāo)簽的 CWS 數(shù)據(jù)作為模型學(xué)習(xí)使用的信號(hào)。但在現(xiàn)有研究中，針對(duì)這一問題討論較少。舉例來說，在機(jī)器翻譯模型中，學(xué)者往往使用百萬(wàn)級(jí)的樣例進(jìn)行訓(xùn)練，但帶標(biāo)簽的 CWS 數(shù)據(jù)集規(guī)模往往較小（ CTB 有6.8萬(wàn)條數(shù)據(jù)，PKU 有2.1 萬(wàn)條數(shù)據(jù)），而且領(lǐng)域較為狹窄。這一數(shù)據(jù)似乎并不能為模型效果帶來明顯的增益。

其實(shí)在大規(guī)模使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型方法之前，就有學(xué)者對(duì)分詞是否必要及其能夠帶來增益的多少進(jìn)行了討論。在信息檢索領(lǐng)域，有學(xué)者指出，如果在查詢?cè)~和檢索內(nèi)容中應(yīng)用相同的分詞方法，就能提升檢索效果。但如果在char model中使用 bigram 對(duì)字符進(jìn)行表示，則word model的優(yōu)勢(shì)就會(huì)大大減弱；在機(jī)器翻譯的相關(guān)研究中，有學(xué)者指出，分詞并不能帶來明顯的效果提升，也并非提升模型效果的關(guān)鍵因素。

在本文中，探討基于深度學(xué)習(xí)的中文自然語(yǔ)言處理任務(wù)中分詞的必要性，作者首先在不涉及分詞的任務(wù)中比較了word model 和 char model的效果差異。作者通過語(yǔ)言建模、文本分類、機(jī)器翻譯和句子匹配四個(gè) NLP 任務(wù)比較了兩個(gè)模型的效果，并發(fā)現(xiàn)char model 的效果更佳，比混合模型的效果更佳或等同。這一結(jié)果說明，實(shí)際上cahr model已經(jīng)對(duì)足夠的語(yǔ)義信息進(jìn)行了編碼。

另外，本文對(duì)word model的不足也做了進(jìn)一步的探究，并指出了導(dǎo)致模型缺陷的主要原因，例如，OOV、data sparsity 會(huì)導(dǎo)致過擬合，以及領(lǐng)域轉(zhuǎn)換能力較差。

二、回顧

對(duì)分詞的研究并不是一項(xiàng)新研究，曾經(jīng)大家都是如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與研究的呢？

自2003年第一個(gè)國(guó)際中文分詞庫(kù)出現(xiàn)以來，中文分詞取得了很多進(jìn)展。在早期，大多時(shí)候，分詞都基于一個(gè)預(yù)定義的詞典進(jìn)行。在這一時(shí)期，一個(gè)最為簡(jiǎn)單且具有健壯性的模型即最大匹配模型，該模型最簡(jiǎn)單的版本即從左至右的最大匹配模型（maxmatch）。這一時(shí)期，新模型的提出主要來源于出現(xiàn)新的分詞標(biāo)準(zhǔn)。

隨著統(tǒng)計(jì)機(jī)器學(xué)習(xí)模型的出現(xiàn)， CWS 問題逐漸變?yōu)榇驑?biāo)簽問題。例如，使用 BEMS 標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)注，確認(rèn)句子的起始詞（Start），結(jié)尾詞（End），中間詞（Middle）或獨(dú)立詞（Single）。傳統(tǒng)的序列標(biāo)注方法包括 HMM,、MEMN,、CRF 等。

到了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，基于神經(jīng)元的 CWS 模型包括CNN、RNN、LSTM等。這類模型能更靈活地使用上下文語(yǔ)義信息對(duì)詞語(yǔ)進(jìn)行標(biāo)注，并且使特征工程更簡(jiǎn)單易行。詞語(yǔ)的神經(jīng)元表示可以作為 CRF 模型的特征，也可作為決策層的輸入。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在這一部分，我們將為大家展示研究中作者將兩種模型在 4 個(gè) NLP 任務(wù)中實(shí)驗(yàn)的評(píng)測(cè)結(jié)果。在模型訓(xùn)練中，為便于比較，作者使用網(wǎng)格搜索對(duì)超參數(shù)進(jìn)行了微調(diào)，包括學(xué)習(xí)率、dropout、batch size等。

3.1 語(yǔ)言建模

該任務(wù)要求模型通過給定的前述語(yǔ)境信息的表示，預(yù)測(cè)后續(xù)詞語(yǔ)。在語(yǔ)言建模任務(wù)中使用CTB 6.0數(shù)據(jù)集來對(duì)比兩模型效果。將數(shù)據(jù)劃分為訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測(cè)試集，占比分別為80%，10%，10%，使用 Jieba 進(jìn)行分詞，LSTM 模型對(duì)字符和詞語(yǔ)進(jìn)行了編碼。

實(shí)驗(yàn)中，對(duì)比了不同維度下，單獨(dú)的 word、char 模型和混合模型的效果。可以發(fā)現(xiàn)，char 模型的效果都優(yōu)于 word 模型，維度為 2048 時(shí)，ppl 達(dá)到最優(yōu)的結(jié)果差距明顯。作者在標(biāo)準(zhǔn) CWS 包和 LTP 包也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并獲得了相同的結(jié)果。

表3 語(yǔ)言建模結(jié)果：char model 優(yōu)于 word model

另外，本文對(duì)混合模型的效果也進(jìn)行了探究，為便于比較，本文構(gòu)建了兩種不同的混合模型，對(duì) word+char 及 only char進(jìn)行表示。詞的表示由其組成詞的表示向量和剩余字符的表示向量聯(lián)合構(gòu)成。由于中文詞語(yǔ)的構(gòu)成字符數(shù)量不定，為保證輸出數(shù)據(jù)維度一致，本文使用 CNN 對(duì)字符向量的結(jié)合進(jìn)行了處理。

可以發(fā)現(xiàn)，在語(yǔ)言建模任務(wù)中，分詞沒有帶來明顯的模型增益，加入詞嵌入信息還降低了模型效果。

3.2 機(jī)器翻譯

本部分評(píng)測(cè)使用中英翻譯，使用語(yǔ)料為從 LDC 語(yǔ)料中抽取的125萬(wàn)個(gè)句子對(duì)。驗(yàn)證數(shù)據(jù)使用的是NIST 2002 ，測(cè)試數(shù)據(jù)使用的是NIST 2003，2004，2005，2006和2008。實(shí)驗(yàn)使用了出現(xiàn)頻次最高的前30，000個(gè)英語(yǔ)詞語(yǔ)，以及前27，500個(gè)中文詞語(yǔ)。char model 的詞語(yǔ)量設(shè)置為4500。作者對(duì)中譯英和英譯中兩種任務(wù)都進(jìn)行了評(píng)測(cè)，表4所示中譯英結(jié)果，表5表示英譯中結(jié)果。

表4 中譯英機(jī)器翻譯評(píng)測(cè)結(jié)果（Mixed RNN, Bi-Tree-LSTM, PKI 模型效果）

表5 英譯中機(jī)器翻譯評(píng)測(cè)結(jié)果

在機(jī)器翻譯中，無論是「中譯英」還是「英譯中」任務(wù)，char 模型效果都優(yōu)于word模型。

3.3 句子匹配

作者基于 BQ 和 LCQMC兩個(gè)語(yǔ)料對(duì)句子匹配任務(wù)進(jìn)行了評(píng)測(cè)。這兩個(gè)語(yǔ)料為每一個(gè)語(yǔ)句對(duì)提供了一個(gè)二元標(biāo)簽，以標(biāo)示兩個(gè)句子是否具有相似性（或相同意圖）。在這部分實(shí)驗(yàn)中，評(píng)測(cè)內(nèi)容為使用不同模型對(duì)語(yǔ)句對(duì)的二元標(biāo)簽進(jìn)行預(yù)測(cè)。評(píng)測(cè)結(jié)果如表6所示。在句子匹配任務(wù)中，基于char 模型效果優(yōu)于基于word的模型效果，表明 char 模型更能捕捉單元之間的語(yǔ)義聯(lián)系。

表6 LCQMC 和 BQ 語(yǔ)料庫(kù)的評(píng)測(cè)結(jié)果

3.4 文本分類

文本分類任務(wù)中使用的評(píng)測(cè)基線包括 ChinaNews, Ifeng, JD_Full, JD _binary, Dianping。作者使用雙向 LSTM 模型對(duì)基于word和基于char的模型分別進(jìn)行訓(xùn)練用于評(píng)測(cè)，評(píng)測(cè)結(jié)果如表7所示。除 ChinaNews語(yǔ)料庫(kù)外，基于字符的模型的表現(xiàn)均優(yōu)于基于詞語(yǔ)的模型。

表7 文本分類任務(wù)的驗(yàn)證和測(cè)試情況

領(lǐng)域適應(yīng)能力

模型的領(lǐng)域適應(yīng)能力展現(xiàn)了模型基于對(duì)已有數(shù)據(jù)分布（源領(lǐng)域）的訓(xùn)練，學(xué)習(xí)新數(shù)據(jù)分布（目標(biāo)領(lǐng)域）的能力。作者基于不同的情感分析數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)兩種模型進(jìn)行了評(píng)測(cè)，結(jié)果如表8所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，基于字符的模型具有更強(qiáng)的領(lǐng)域適應(yīng)能力，且表現(xiàn)更優(yōu)。

表8 基于字符的模型和基于詞語(yǔ)的模型的領(lǐng)域適應(yīng)能力

四、分析

在這一部分，作者探究了 char model 效果優(yōu)于 word model 的原因，盡管未能完全指出基于詞語(yǔ)的模型的運(yùn)行機(jī)制，但作者嘗試分析了幾個(gè)主要的影響因素。

4.1 數(shù)據(jù)稀疏性

防止詞規(guī)模過大的常用方法是設(shè)置詞頻率的閾值，并使用 UNK 字符替代所有未達(dá)到閾值的詞語(yǔ)。閾值的設(shè)置對(duì)詞規(guī)模的大小有直接影響，并進(jìn)一步影響了模型參數(shù)的數(shù)量。圖2展示了詞匯量、頻率閾值以及模型效果之間的聯(lián)系。無論是char模型還是model模型，當(dāng)詞規(guī)模過大，模型效果都會(huì)明顯下降。模型對(duì)于低頻詞的語(yǔ)義的學(xué)習(xí)是存在困難的。因此，要獲得較好的基于詞語(yǔ)或字符的模型訓(xùn)練效果，必須保證詞語(yǔ)或字符的出現(xiàn)頻率。但對(duì)于word模型，這一條件更難以達(dá)到。

圖2 數(shù)據(jù)稀疏性對(duì)基于詞語(yǔ)和基于字符的模型的影響

4.2OOV

對(duì)word model來說，OOV是另一重要影響因素。但考慮到簡(jiǎn)單降低詞頻率的閾值以減少OOV，會(huì)使數(shù)據(jù)稀疏問題更加嚴(yán)重，因此本文采用了一個(gè)替代性策略，即基于不同的詞頻率閾值，分別移除驗(yàn)證集和測(cè)試集中包含OOV的句子。圖4展示了訓(xùn)練集詞匯數(shù)量、準(zhǔn)確度和詞頻率閾值間的關(guān)系。隨著詞頻率閾值的增加，兩種模型效果的差異在逐漸減小。

圖4 移除包含OOV的訓(xùn)練實(shí)例帶來的影響

4.3 過擬合

數(shù)據(jù)稀疏導(dǎo)致模型需要學(xué)習(xí)的參數(shù)增加，使得模型更加容易過擬合。本文在 BQ 數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。要獲得與基于詞語(yǔ)的模型相似的效果，基于詞語(yǔ)的模型需要設(shè)置更高的 dropout 值。

圖1 dropout 對(duì)基于詞語(yǔ)和基于字符的模型的影響

4.4 可視化

圖3 展示了char model在 BQ 數(shù)據(jù)集上獲得更好的語(yǔ)義匹配效果的原因。該熱圖展示了 BiPMP 計(jì)算出的兩句子間的注意力匹配值。對(duì)于char model而言，句子間的映射更加容易。

圖4 基于詞語(yǔ)和基于字符的模型對(duì)兩個(gè)中文語(yǔ)句的語(yǔ)義匹配情況

五、結(jié)論

這項(xiàng)研究探究了基于深度學(xué)習(xí)方法中文 NLP 任務(wù)中，分詞的必要性這一基礎(chǔ)性問題，并在四類端到端自然語(yǔ)言處理任務(wù)上發(fā)現(xiàn)char 模型效果更優(yōu)于 word 模型。本文認(rèn)為，word模型效果不佳的原因在于OOV、數(shù)據(jù)稀疏導(dǎo)致的過擬合和領(lǐng)域轉(zhuǎn)換能力差問題。也希望這篇論文可以啟發(fā)更多針對(duì)中文分詞必要性的探討工作。