統計語言模型

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語言模型

p(S) 就是語言模型，即用來計算一個句子 S 機率的模型。

那麼，如何計算呢？最簡單、直接的方法是計數後做除法，即最大似然估計（Maximum Likelihood Estimate，MLE），如下：

 

其中，count(w1,w2,…,wi?1,wi) 表示詞序列(w1,w2,…,wi?1,wi) 在語料庫中出現的頻率。這裡面臨兩個重要的問題：資料稀疏嚴重和參數空間過大，導致無法實用。

實際中，我們一般較常使用的是 N 元文法模型（N-Gram），它採用了馬爾科夫假設（Markov Assumption），即認為語言中每個單詞只與其前面長度 N-1 的上下文有關。

• 假設下一個詞的出現依賴它前面的一個詞，即 bigram，則有：

• 假設下一個詞的出現依賴它前面的兩個詞，即 trigram，則有：

那麼，我們在面臨實際問題時，如何選擇依賴詞的個數，即 N 呢？

• 更大的 n：對下一個詞出現的約束資訊更多，具有更大的辨別力；
• 更小的 n：在訓練語料庫中出現的次數更多，具有更可靠的統計資訊，具有更高的可靠性。

理論上，n 越大越好，經驗上，trigram 用的最多，儘管如此，原則上，能用 bigram 解決，絕不使用 trigram。

從本質上說，這種統計語言模型描述的是有限狀態的正則文法語言，而自然語言是不確定性語言，因此與真實語言差異較大，表達能力有限，尤其無法較好的處理長距離依賴語言現象。但是，其抓住了自然語言中的局部性約束（Local Constrain）性質，因此該模型在實際應用中取得了較大的成功。

言模型效果評估

語言模型構造完成後，如何確定其好壞呢？目前主要有兩種評價方法：

• 實用方法：通過查看該模型在實際應用（如拼字檢查、機器翻譯）中的表現來評價，優點是直觀、實用，缺點是缺乏針對性、不夠客觀；
• 理論方法：迷惑度/困惑度/混亂度（preplexity），其基本思想是給測試集賦予較高機率值的語言模型較好，公式如下：

由公式可知，迷惑度越小，句子機率越大，語言模型越好。

資料稀疏與平滑技術

大規模資料統計方法與有限的訓練語料之間必然產生資料稀疏問題，導致零機率問題，符合經典的 zip’f 定律。如 IBM Brown：366M 英語語料訓練 trigram，在測試語料中，有14.7% 的 trigram 和 2.2% 的bigram 在訓練語料中未出現。

為瞭解決資料稀疏問題，人們為理論模型實用化而進行了眾多嘗試與努力，誕生了一系列經典的平滑技術，它們的基本思想是“降低已出現 n-gram 的條件機率分布，以使未出現的 n-gram 條件機率分布非零”，且經資料平滑後一定保證機率和為1，資料平滑前後如所示：

 

• Add-one（Laplace） Smoothing

加一平滑法，又稱拉普拉斯定律，其保證每個 n-gram 在訓練語料中至少出現 1次，以 bigram 為例，公式如下：

其中，V 是所有 bigram 的個數。

在V>>c(wi?1,wi)時，即訓練語料庫中絕大部分 n-gram 未出現的情況（一般都是如此），Add-one Smoothing後有些“喧賓奪主”的現象，效果不佳。

一種簡單的改進方法是 add-δ smoothing (Lidstone, 1920; Jeffreys, 1948)。δ 是一個小於 1 的數。

• Good-Turing Smoothing

其基本思想是利用頻率的類別資訊對頻率進行平滑。如所示：

 

其中，Nc表示出現次數為 c 的 n-gram 的個數。調整出現頻率為 c 的 n-gram 折扣頻率為 c?：

但是，對於較大的 c，可能出現Nc+1=0 或者 Nc>Nc+1的情況，反而使得模型品質變差，如所示：

直接的改進策略就是“對出現次數超過某個閾值的 gram 不進行平滑，閾值一般取8~10。

• Interpolation Smoothing

不管是 Add-one，還是 Good Turing 平滑技術，對於未出現的 n-gram 都一視同仁，難免存在不合理性（事件發生機率存在差別），所以這裡再介紹一種線性插值平滑技術，其基本思想是將高階模型和低階模型作線性組合，利用低元 n-gram 模型對高元 n-gram 模型進行線性插值。因為在沒有足夠的資料對高元 n-gram 模型進行機率估計時，低元 n-gram 模型通常可以提供有用的資訊。

• Katz Backoff

其基本思想是如果 n-gram 出現頻率為 0，就回退到(n-1)-gram 近似求解。

 

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