Тематичне моделювання — спосіб побудови моделі колекції текстових документів, яка визначає, до яких тем належить кожен з документів.

Тематична модель () колекції текстових документів визначає, до яких тем належить кожен документ, і які слова (терміни) утворюють кожну тему.

Перехід з простору термінів в простір знайдених тематик допомагає вирішувати синонімію і полісемію термінів, а також ефективніше вирішувати такі завдання як тематичний пошук, класифікація, сумаризація і анотація колекцій документів і новинних потоків.

Тематичне моделювання як вид статистичних моделей для знаходження прихованих тем, що зустрічаються в колекції документів, знайшло своє застосування в таких областях як машинне навчання і обробка природної мови. Дослідники використовують різні тематичні моделі для аналізу текстів, текстових архівів документів, для аналізу зміни тем у наборах документів. Інтуїтивно розуміючи, що документ відноситься до певної теми, в документах, присвячених одній темі, можна зустріти деякі слова частіше за інші. Наприклад, слова «собака» і «кістка» зустрічаються частіше в документах про собак; «кішки» і «молоко» будуть зустрічатися в документах про кошенят, прийменники «в» та «на» будуть зустрічатися в обох тематиках. Зазвичай документ стосується кількох тем в різних пропорціях. Таким чином, для документу, в якому 10 % теми складають кішки, а 90 % теми — собаки, можна припустити, що слів про собак в 9 разів більше. Тематичне моделювання відображає цю інтуїцію в математичній структурі, яка дозволяє на підставі вивчення колекції документів і дослідження частотних характеристик слів в кожному документі зробити висновок, що кожен документ — це деякий баланс тем.

Найбільше застосування в сучасних додатках знаходять підходи, що ґрунтуються на Баєсових мережах — імовірнісних моделях на орієнтованих графах. Імовірнісні тематичні моделі — це відносно молода область досліджень в теорії некерованого навчання. Одним з перших був запропонований імовірнісний латентно-семантичний аналіз (PLSA), заснований на принципі максимуму правдоподібності, як альтернатива класичним методам кластеризації, заснованим на обчисленні функцій відстані. Слідом за PLSA був запропонований метод і його численні узагальнення.

Імовірнісні тематичні моделі здійснюють «м'яку» кластеризацію, дозволяючи документу або терміну відноситися відразу до декількох тем з різними ймовірностями. Імовірнісні тематичні моделі описують кожну тему дискретним розподілом на множині термінів, кожен документ — дискретним розподілом на множині тем. Передбачається, що колекція документів — це послідовність термінів, обраних випадково і незалежно з суміші таких розподілів, і ставиться завдання відновлення компонентів суміші по вибірці.

Хоча тематичне моделювання традиційно описувалося і застосовувалося в обробці природної мови, воно знайшло своє застосування і в інших областях, наприклад, таких як біоінформатика.

Історія Перший опис тематичного моделювання з'явилося в роботі Рагавана, Пападімітріу, Томакі і Вемполи 1998 року. Томас Гофман в 1999 році запропонував імовірнісне приховане семантичне індексування (PLSI). Одна з найпоширеніших тематичних моделей – це (LDA). Ця модель є узагальненням імовірнісного семантичного індексування і розроблена , Ендрю Ином і у 2002 році. Інші тематичні моделі, як правило, є розширенням LDA, наприклад, покращує LDA за рахунок введення додаткових кореляційних коефіцієнтів для кожного слова, яке становить тему.

Тематичні дослідження Темплтон зробив огляд робіт з тематичного моделювання в гуманітарних науках, згрупованих за синхронним і діахронічним підходом. Синхронні підходи виділяють теми в певний момент часу, наприклад, Джокерс за допомогою тематичної моделі досліджував, про що писали блогери в День цифрових гуманітарних наук в 2010 році.

Діахронічні підходи, включаючи визначення Блока та Ньюмана про часову динаміку тем у Пенсільванській газеті 1728-1800 року. Грифітс і Стейверс використовували тематичне моделювання для оглядів журналу PNAS, визначали зміни популярності тем з 1991 по 2001 рік. Блевін створив тематичну модель щоденника Марти Балладс. Мімно використовував тематичне моделювання для аналізу 24 журналів з класичної філології та археології за 150 років, щоб визначити зміни популярності тем і дізнатися, наскільки сильно змінилися журнали за цей час.

Алгоритми тематичного моделювання У роботі Девіда Блея «Введення в тематичне моделювання» розглянуто найбільш популярний алгоритм – Латентне розміщення Діріхле. На практиці дослідники використовують одну з евристик методу максимальної правдоподібності, методи сингулярного розкладу (SVD), метод моментів, алгоритм, заснований на невід'ємній матриці факторизації (NMF), імовірнісні тематичні моделі, імовірнісний латентно-семантичний аналіз, латентне розміщення Діріхле. У роботі Воронцова К. В. розглянуто варіації основних алгоритмів тематичного моделювання: робастна тематична модель, тематичні моделі класифікації, динамічні тематичні моделі, ієрархічні тематичні моделі, багатомовні тематичні моделі, моделі тексту як послідовності слів, багатомодальні тематичні моделі .

Імовірнісні тематичні моделі засновані на наступних припущеннях: Порядок документів у колекції не має значення Порядок слів у документі не має значення, документ – мішок слів Слова, що зустрічаються часто в більшості документів, не важливі для визначення тематики Колекцію документів можна представити як вибірку пар документ-слово , , Кожна тема описується невідомим розподілом на множині слів Кожен документ описується невідомим розподілом на множині тем Гіпотеза умовної незалежності

Побудувати тематичну модель – значить, знайти матриці та по колекції . У більш складних імовірнісних тематичних моделях деякі з цих припущень замінюються більш реалістичними.

Імовірнісний латентно-семантичний аналіз

(PLSA) запропонований Томасом Гофманом у 1999 році. Імовірнісна модель появи пари «документ-слово» може бути записана трьома еквівалентними способами:

де  — множина тем;  — невідомий апріорний розподіл тем у всій колекції;  — апріорний розподіл на множині документів, емпірична оцінка , де  — сумарна довжина всіх документів;  — апріорний розподіл на множині слів, емпірична оцінка , де  — число входжень слова в усі документи;

Шукані умовні розподілу виражаються через за формулою Баєса:

Для ідентифікації параметрів тематичної моделі по колекції документів застосовується принцип максимуму правдоподібності, який призводить до задачі максимізації функціоналу

при обмеженнях нормування

де — число входжень слова у документ . Для вирішення даної оптимізаційної задачі зазвичай застосовується EM-алгоритм.

Основні недоліки PLSA:

Число параметрів зростає лінійно по числу документів в колекції, що може призводити до перенавчання моделі. При додаванні нового документа у колекцію, розподіл неможливо обчислити за тими ж формулами, що і для інших документів, не перебудовуючи всю модель заново.

Латентне розміщення Діріхле

(LDA) був запропонований Девідом Блеєм у 2003 році.

У цьому методі усунені основні недоліки PLSA.

Метод LDA заснований на тій самій імовірнісній моделі:

при додаткових припущеннях:

вектори документів породжуються одним і тим же імовірнісним розподілом на нормованих -мірних векторах; цей розподіл зручно взяти з параметричного сімейства розподілів Діріхле ; вектори тем породжуються одним і тим же імовірнісним розподілом на нормованих векторах розмірності ; цей розподіл зручно взяти з параметричного сімейства розподілів Діріхле .

Для ідентифікації параметрів моделі LDA по колекції документів застосовується , варіаційний баєсівський висновок або .

Див. також

Примітки

Література

Посилання Лекция: Тематическое моделирование — К. В. Воронцов // Школа аналізу даних (відео-лекції). Лекция 2: Тематическое моделирование — К. В. Воронцов // Школа аналізу даних (відео-лекції).

Применение тематического моделирования для анализа новостей и ревю. Video of a Google Tech Talk presentation by Alice Oh on topic modeling with Latent Dirichlet allocation Моделирование науки: Динамическое тематическое моделирование научных исследований. Video of a Google Tech Talk presentation by David M. Blei Автоматизированная тематическая модель в политической науке. Video of a presentation by Brandon Stewart at the Tools for Text Workshop, 14 June 2010 Лекция: Тематическое моделирование — Дэвид Блей 2009 г. Відео-лекція від Принстонського університету Регуляризация вероятностных тематических моделей для повышения интерпретируемости и определения числа тем Диалог 2014 Parsimonious Topic Models with Salient Word Discovery

Програмне забезпечення та програмні бібліотеки Малет (програма) Інструментарій Стенфордського університету з тематичного моделювання GenSim — «тематичне моделювання для людей» LDA C# LDA in Infer.NET