【火炉炼AI】机器学习042-NLP文本的主题建模

(本文所使用的Python库和版本号: Python 3.6, Numpy 1.14, scikit-learn 0.19, matplotlib 2.2， NLTK 3.3)

文本的主题建模时用NLP来识别文本文档中隐藏的某种模式的过程，可以发现该文档的隐藏主题，以便对文档进行分析。主题建模的实现过程是，识别出某文本文档中最有意义，最能表征主题的词来实现主题分类，即寻找文本文档中的关键词，通过关键词就可以识别出某文档的隐藏主题。

1. 准备数据集

本次所用的数据集存放在一个txt文档中，故而需要从txt文档中加载该文本内容，然后再对这些文本进行预处理。由于预处理的步骤比较多，故而此处建立一个class来完成数据的加载和预处理过程，也使得代码看起来更简洁，更通用。

# 准备数据集，建一个class来加载数据集，对数据进行预处理
from nltk.tokenize import RegexpTokenizer
from nltk.corpus import stopwords
from nltk.stem.snowball import SnowballStemmer
from gensim import models, corpora

class DataSet:
    
    def __init__(self,txt_file_path):
        self.__txt_file=txt_file_path
    
    def __load_txt(self): # 从txt文档中加载文本内容，逐行读入
        with open(self.__txt_file,'r') as file:
            content=file.readlines() # 一次性将所有的行都读入
        return [line[:-1] for line in content] # 去掉每一行末尾的\n
    
    def __tokenize(self,lines_list): # 预处理之一：对每一行文本进行分词
        tokenizer=RegexpTokenizer('\w+') 
        # 此处用正则表达式分词器而不用word_tokenize的原因是：排除带有标点的单词
        return [tokenizer.tokenize(line.lower()) for line in lines_list]
    
    def __remove_stops(self,lines_list): # 预处理之二：对每一行取出停用词
        # 我们要删除一些停用词，避免这些词的噪声干扰，故而需要一个停用词表
        stop_words_list=stopwords.words('english')  # 获取英文停用词表
        return [[token for token in line if token not in stop_words_list]
                for line in lines_list] 
        # 这儿有点难以理解，lines_list含有的元素也是list，这一个list就是一行文本，
        # 而一行文本内部有N个分词组成，故而lines_list可以看出二维数组，需要用两层generator
    
    def __word_stemm(self,lines_list): # 预处理之三：对每个分词进行词干提取
        stemmer=SnowballStemmer('english')
        return [[stemmer.stem(word) for word in line] for line in lines_list]
    
    def prepare(self):
        '''供外部调用的函数，用于准备数据集'''
        # 先从txt文件中加载文本内容，再进行分词，再去除停用词，再进行词干提取
        stemmed_words=self.__word_stemm(self.__remove_stops(self.__tokenize(self.__load_txt())))
        # 后面的建模需要用到基于dict的词矩阵，故而先用corpora构建dict在建立词矩阵
        dict_words=corpora.Dictionary(stemmed_words)
        matrix_words=[dict_words.doc2bow(text) for text in stemmed_words]
        return dict_words, matrix_words 
    
    # 以下函数主要用于测试上面的几个函数是否运行正常
    def get_content(self):
        return self.__load_txt()
    
    def get_tokenize(self):
        return self.__tokenize(self.__load_txt())
    
    def get_remove_stops(self):
        return self.__remove_stops(self.__tokenize(self.__load_txt()))
    
    def get_word_stemm(self):
        return self.__word_stemm(self.__remove_stops(self.__tokenize(self.__load_txt())))

这个类是否运行正常，是否能够得到我们预期的结果了？可以用下面的代码来测试

# 检验上述DataSet类是否运行正常
dataset=DataSet("E:\PyProjects\DataSet\FireAI\data_topic_modeling.txt")

# 以下测试load_txt()函数是否正常
content=dataset.get_content()
print(len(content))
print(content[:3])

# 以下测试__tokenize()函数是否正常
tokenized=dataset.get_tokenize()
print(tokenized)

# 一下测试__remove_stops()函数是否正常
removed=dataset.get_remove_stops()
print(removed)

# 以下测试__word_stemm()函数是否正常
stemmed=dataset.get_word_stemm()
print(stemmed)

# 以下测试prepare函数是否正常
_,prepared=dataset.prepare()
print(prepared)

输出的运行结果比较长，可以看我的github源代码。

2. 构建模型，训练数据集

我们用LDA模型（Latent Dirichlet Allocation， LDA）做主题建模，如下：

# 获取数据集
dataset=DataSet("E:\PyProjects\DataSet\FireAI\data_topic_modeling.txt")
dict_words, matrix_words =dataset.prepare()

# 使用LDAModel建模
lda_model=models.ldamodel.LdaModel(matrix_words,num_topics=2,
                           id2word=dict_words,passes=25) 
# 此处假设原始文档有两个主题

上面的代码会建立LDAModel并对模型进行训练，需要注意，LDAModel位于gensim模块中，这个模块需要自己用pip install gensim来安装，安装之后才能使用。

LDAModel会计算每个单词的重要性，然后建立重要性计算方程，依靠此方程来给出预测主题。

如下代码可以打印出该重要性方程：

# 查看模型中最重要的N个单词
print('Most important words to topics: ')
for item in lda_model.print_topics(num_topics=2,num_words=5):
    # 此处只打印最重要的5个单词
    print('Topic: {}, words: {}'.format(item[0],item[1]))

-------------------------------------输---------出--------------------------------

Most important words to topics:
Topic: 0, words: 0.075"need" + 0.053"order" + 0.032"system" + 0.032"encrypt" + 0.032"work"
Topic: 1, words: 0.037"younger" + 0.037"develop" + 0.037"promot" + 0.037"talent" + 0.037"train"

--------------------------------------------完-------------------------------------

########################小**********结###############################

1，一般机器学习项目需要我们自己处理的内容都是数据集方面，可以将数据集处理过程写成一个专门的class，比如上面我把文本预处理过程写在class里面，每一个函数代表一种预处理方式，这样条理清楚，具有一定通用性。

2，此处我们使用gensim模块中的LDAModel来做主题建模，gensim模块是一个非常有用的NLP处理工具，在文本内容分析中应用较多。

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注：本部分代码已经全部上传到（我的github）上，欢迎下载。

参考资料:

1, Python机器学习经典实例，Prateek Joshi著，陶俊杰，陈小莉译