自然语言处理之TF-IDF

写在前面

在将文本分词并向量化后，我们可以得到词汇表中每个词在各个文本中形成的词向量，如：

corpus=["I come to China to travel",
"This is a car polupar in China",
"I love tea and Apple ",

"The work is to write some papers in science"]

不考虑停用词，处理后得到的词向量如下：

[[0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 1 0 0]
[0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0]
[1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0]

[0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1]]

如果我们直接将统计词频后的19维特征做为文本分类的输入，会发现有一些问题。比如第一个文本，我们发现"come","China"和“Travel”各出现1次，而“to“出现了两次。似乎看起来这个文本与”to“这个特征更关系紧密。但是实际上”to“是一个非常普遍的词，几乎所有的文本都会用到，因此虽然它的词频为2，但是重要性却比词频为1的"China"和“Travel”要低的多。如果我们的向量化特征仅仅用词频表示就无法反应这一点。因此我们需要进一步的预处理来反应文本的这个特征，而这个预处理就是TF-IDF。

1. TF-IDF概述

TF-IDF是Term Frequency - Inverse Document Frequency的缩写，即“词频-逆文本频率”。它由两部分组成，TF和IDF。

前面的TF也就是我们前面说到的词频，我们之前做的向量化也就是做了文本中各个词的出现频率统计，并作为文本特征，这个很好理解。关键是后面的这个IDF，即“逆文本频率”如何理解。在上一节中，我们讲到几乎所有文本都会出现的"to"其词频虽然高，但是重要性却应该比词频低的"China"和“Travel”要低。我们的IDF就是来帮助我们来反映这个词的重要性的，进而修正仅仅用词频表示的词特征值。

概括来讲， IDF反映了一个词在所有文本中出现的频率，如果一个词在很多的文本中出现，那么它的IDF值应该低，比如上文中的“to”。而反过来如果一个词在比较少的文本中出现，那么它的IDF值应该高。比如一些专业的名词如“Machine Learning”。这样的词IDF值应该高。一个极端的情况，如果一个词在所有的文本中都出现，那么它的IDF值应该为0。

上面是从定性上说明的IDF的作用，那么如何对一个词的IDF进行定量分析呢？这里直接给出一个词x的IDF的基本公式如下：

其中，N代表语料库中文本的总数，而N(x)代表语料库中包含词x的文本总数。为什么IDF的基本公式应该是是上面这样的而不是像N/N(x)这样的形式呢？这就涉及到信息论相关的一些知识了。感兴趣的朋友建议阅读吴军博士的《数学之美》第11章。

上面的IDF公式已经可以使用了，但是在一些特殊的情况会有一些小问题，比如某一个生僻词在语料库中没有，这样我们的分母为0， IDF没有意义了。所以常用的IDF我们需要做一些平滑，使语料库中没有出现的词也可以得到一个合适的IDF值。平滑的方法有很多种，最常见的IDF平滑后的公式之一为：

有了IDF的定义，我们就可以计算某一个词的TF-IDF值了：

其中TF(x)指词x在当前文本中的词频。

2.用scikit-learn进行TF-IDF预处理

在scikit-learn中，有两种方法进行TF-IDF的预处理。

第一种方法是在用CountVectorizer类向量化之后再调用TfidfTransformer类进行预处理。第二种方法是直接用TfidfVectorizer完成向量化与TF-IDF预处理。

首先我们来看第一种方法，CountVectorizer+TfidfTransformer的组合，代码如下：

from sklearn.feature_extraction.text import TfidfTransformer
from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer  corpus=["I come to China to travel", "This is a car polupar in China",          "I love tea and Apple ",   "The work is to write some papers in science"] vectorizer=CountVectorizer()transformer = TfidfTransformer()
tfidf = transformer.fit_transform(vectorizer.fit_transform(corpus))
print (tfidf)

下面使用第二种方法TfidfVectorizer一步到位，代码如下：

from sklearn.feature_extraction.text import TfidfVectorizer
tfidf2 = TfidfVectorizer()
re = tfidf2.fit_transform(corpus)
print (re)

由于第二种方法比较的简洁，因此在实际应用中推荐使用，一步到位完成向量化，TF-IDF与标准化。