机器学习·数据处理

前言

对于大规模数据，我们经常会使用python内置函数或者编写脚本进行批量化处理，从而提高后续使用算法的效率。

1. 正则表达式

• 定义：用于检索、替换符合某个模式的文本，是文本预处理常用技术。
• 基本语法

• Python 的 re 模块
  • re.match()：从字符串首字符开始匹配模式串。

  import re
  result = re.match(r'Hello', 'Hello, World!')
  if result:
      print("匹配成功，匹配到的内容是:", result.group())
  else:
      print("匹配失败")
  

  • re.search()：从字符串任意位置匹配模式串，找到第一个匹配即返回。

  result = re.search(r'World', 'Hello, World!')
  if result:
      print("匹配成功，匹配到的内容是:", result.group())
  else:
      print("匹配失败")
  

  • re.findall()：从字符串任意位置匹配模式串，返回所有匹配结果。

  text = "Apple and banana are fruits. I like apple juice."
  result = re.findall(r'apple', text, re.IGNORECASE)
  print("匹配到的所有结果:", result)
  

  • re.sub()：将字符串中匹配模式串的部分替换为指定内容。

  text = "I have 3 apples and 2 bananas."
  new_text = re.sub(r'\d', 'X', text)
  print("替换后的文本:", new_text)
  

2. 分词

• 定义：将长文本分解为以词为基本单位的数据结构，方便后续处理分析。
• 中文分词难点
  • 没有统一标准，存在分词歧义性。
  • 歧义词难以切分，需结合上下文判断。
  • 未登录词难以识别，需实时更新词表。
• 分词方法
  • 基于词典的匹配分词方式：速度快、成本低，但适应性不强。
  • 基于统计的分词方法：适应性较强，但成本高、速度慢。
  • 基于深度学习：准确率高、适应性强，但成本高、速度慢。
• 常见分词工具：Hanlp、Stanford 分词、ansj 分词器、哈工大 LTP、KCWS 分词器、jieba、清华大学 THULAC、ICTCLAS。
• jieba 分词示例
  • 全模式：jieba.cut("文本", cut_all=True)

  import jieba
  seg_list = jieba.cut("我喜欢自然语言处理", cut_all=True)
  print("全模式分词结果: ", "/ ".join(seg_list))
  

  • 精确模式：jieba.cut("文本", cut_all=False)

  seg_list = jieba.cut("我喜欢自然语言处理", cut_all=False)
  print("精确模式分词结果: ", "/ ".join(seg_list))
  

  • 搜索引擎模式：jieba.cut_for_search("文本")

  seg_list = jieba.cut_for_search("小明硕士毕业于中国科学院计算所")
  print("搜索引擎模式分词结果: ", ", ".join(seg_list))
  

  • 添加新词：jieba.load_userdict(file_path)；动态添加：jieba.add_word(word, freq=None, tag=None)；动态删除：jieba.del_word(word)

  jieba.add_word("自然语言处理")
  seg_list = jieba.cut("我喜欢自然语言处理", cut_all=False)
  print("添加新词后精确模式分词结果: ", "/ ".join(seg_list))
  jieba.del_word("自然语言处理")
  seg_list = jieba.cut("我喜欢自然语言处理", cut_all=False)
  print("删除新词后精确模式分词结果: ", "/ ".join(seg_list))
  

3. 词性标注

• 定义：判定文本中每个词的语法范畴，确定其词性并加以标注。
• 中文词性标注难点：中文缺乏词形态变化，兼类词现象严重，词类歧义排除任务量大。
• 词性标注方法
  • 基于规则的词性标注方法。
  • 基于统计模型的词性标注方法，如 HMM、CRF 等。
  • 基于统计方法与规则方法相结合的词性标注方法。
  • 基于深度学习的词性标注方法，如 LSTM+CRF、BiLSTM+CRF 等。
• 常见词性标注工具：jieba、SnowNLP、THULAC、StanfordCoreNLP、HanLP、NLTK、SpaCy（不支持中文）。
• jieba 词性标注示例：jieba.posseg.cut("文本")

  import jieba.posseg
  sentence_taged = jieba.posseg.cut("我喜欢自然语言处理")
  for word, flag in sentence_taged:
      print(f"词语: {word}, 词性: {flag}")
  

4. 词干提取与词形还原

• 词干提取（Stemming）：去除单词的前后缀得到词根，用于扩展检索。

from nltk.stem import PorterStemmer
stemmer = PorterStemmer()
words = ["running", "jumps", "played"]
for word in words:
    print(f"原词: {word}, 词干: {stemmer.stem(word)}")

• 词形还原（Lemmatisation）：基于词典，将单词的复杂形态转变成最基础的形态，用于文本预处理。

from nltk.stem import WordNetLemmatizer
lemmatizer = WordNetLemmatizer()
words = ["are", "better", "running"]
for word in words:
    print(f"原词: {word}, 词形还原后: {lemmatizer.lemmatize(word)}")

• 两者异同
  • 相同点：目标类似，结果部分交叉，主流实现方法类似。
  • 不同点：变换原理、算法复杂性、结果和应用领域各有侧重。
• 注意事项：只针对具有形态变化的语言，中文不存在这两种预处理操作。

5. 命名实体识别（NER）

• 定义：识别文本中具有特定意义的实体，如人名、地点名、组织机构名、时间等，用于语义挖掘及信息提取。
• NER 方法
  • 基于规则的方法、基于字典的方法。
  • 传统机器学习，如 HMM、CRF 等。
  • 深度学习，如 LSTM+CRF、BiLSTM+CRF 等。
• 常见 NER 工具：Stanford NER、MALLET、Hanlp、nltk、SpaCy（不支持中文）、Crfsuite。
• nltk 的 NER 示例

import nltk
from nltk.tokenize import word_tokenize
from nltk import pos_tag, ne_chunk
nltk.download('punkt')
nltk.download('averaged_perceptron_tagger')
nltk.download('maxent_ne_chunker')
nltk.download('words')

text = "Bill Gates founded Microsoft in 1975."
tokens = word_tokenize(text)
tagged = pos_tag(tokens)
entities = ne_chunk(tagged)
print(entities)

6. 文本的数据增强

• 应用：解决文本数据类别不平衡问题，使模型能学习到样本少的类别的特性。
• 字符层面数据增广方法
  • 同义词替换：根据同义词典或词向量相似度替换词汇。
  • 文本回译：将文本翻译成某一语言再反译回来。
  • 词汇顺序变化：对某些文本在语块层面重新排列语序。
• nlpcda 工具示例
  • Randomword()：随机实体替换。

!pip install nlpcda
from nlpcda import Randomword
sentence = "今天是2024年10月1日：我去了超市"
smw = Randomword(create_num=3, change_rate=0.3)
result = smw.replace(sentence)
print('随机实体替换结果:')
for r in result:
    print(r)

• Similarword()：随机同义词替换。

from nlpcda import Similarword
sentence = "今天天气很好，适合出去游玩"
smw = Similarword(create_num=3, change_rate=0.8)
result = smw.replace(sentence)
print('随机同义词替换结果:')
for r in result:
    print(r)

• baidu_translate()：百度中英翻译互转实现增强。（需要申请 appid 和 secretKey）

from nlpcda import baidu_translate

zh = '天气晴朗，适合散步'
# 申请你的 appid、secretKey 分别填入 "xxx" 后代码才能运行
en_s = baidu_translate(content=zh, appid='xxx',
                       secretKey='xxx', t_from='zh', t_to='en')  # 中文转英文
zh_s = baidu_translate(content=en_s, appid='xxx',
                       secretKey='xxx', t_from='en', t_to='zh')  # 英文转回中文
print("回译后的文本:", zh_s)