Материал из MachineLearning.

Версия 02:00, 15 марта 2018

Спецкурс читается студентам 2—5 курсов на кафедре «Математические методы прогнозирования» ВМиК МГУ с 2013 года.

В спецкурсе изучается вероятностное тематическое моделирование (topic modeling) коллекций текстовых документов. Тематическое моделирование рассматривается как ключевая математическая технология перспективных информационно-поисковых систем нового поколения, основанных на парадигме семантического разведочного поиска (exploratory search). Рассматриваются также прикладные задачи классификации, сегментации и суммаризации текстов, задачи анализа данных социальных сетей и рекомендательных систем. Развивается многокритериальный подход к построению композитных тематических моделей с заданными свойствами — аддитивная регуляризация тематических моделей (АРТМ). Он основан на регуляризации некорректно поставленных задач стохастического матричного разложения. Рассматриваются способы измерения и оптимизации важнейших свойств тематических моделей — правдоподобия, интерпретируемости, устойчивости, полноты. Рассматриваются задачи анализа и классификации символьных последовательностей неязыковой природы, в частности, аминокислотных и нуклеотидных последовательностей, дискретизированных биомедицинских сигналов. Предполагается проведение студентами численных экспериментов на модельных и реальных данных с помощью библиотеки тематического моделирования BigARTM.

От студентов требуются знания курсов линейной алгебры, математического анализа, теории вероятностей. Знание математической статистики, методов оптимизации, машинного обучения, языков программирования Python и С++ желательно, но не обязательно.

Материалы для первого ознакомления:

Обзорная презентация: (PDF, 4,4 МБ) — обновление 14.03.2016.

Видеолекция на ПостНауке: Разведочный информационный поиск.

Основной материал:

Обзор вероятностных тематических моделей — обновление 14.07.2017.

Краткая ссылка на эту страницу: bit.ly/2EGWcjA.

Программа курса

Условием сдачи спецкурса является выполнение индивидуальных практических заданий.

Введение

Презентация: (PDF, 1,2 МБ) — обновление 15.02.2018.

Цели и задачи тематического моделирования.

• Понятие «темы», цели и задачи тематического моделирования.
• Основные предположения. Гипотеза «мешка слов» (bag-of-words). Методы предварительной обработки текстов.
• Вероятностное пространство. Тема как латентная (ненаблюдаемая) переменная. Гипотеза условной независимости.
• Порождающая модель документа как вероятностной смеси тем.
• Упрощённая вероятностная модель текста и элементарное решение обратной задачи
• Постановка обратной задачи восстановления параметров модели по данным.

Математический инструментарий.

• Принцип максимума правдоподобия.
• Условия Каруша–Куна–Таккера.
• Униграммные модели коллекции и документа.

Аддитивная регуляризация тематических моделей.

• Теорема о необходимом условии максимума регуляризованного правдоподобия для ARTM.
• EM-алгоритм и его элементарная интерпретация. Формула Байеса и частотные оценки условных вероятностей.
• Вероятностный латентный семантический анализ (probabilistic latent semantic analysis, PLSA).
• Рациональный ЕМ-алгоритм (встраивание Е-шага внутрь М-шага). Оффлайновый регуляризованный EM-алгоритм.
• Онлайновый регуляризованный EM-алгоритм. Распараллеливание.
• Библиотека BigARTM.

Обзор базовых инструментов

Александр Романенко, Мурат Апишев. Презентация: (zip, 0,6 МБ) — обновление 17.02.2017.

Предварительная обработка текстов

• Парсинг "сырых" данных.
• Токенизация, стемминг и лемматизация.
• Выделение энграмм.
• Законы Ципфа и Хипса. Фильтрация словаря коллекции. Удаление стоп-слов.

Библиотека BigARTM

• Методологические рекоммендации по проведению экспериментов.
• Установка BigARTM.
• Формат и импорт входных данных.
• Обучение простой модели (без регуляризации): создание, инициализация, настройка и оценивание модели.
• Инструмент визуализации тематических моделей VisARTM. Основные возможности, демонстрация работы.

Дополнительный материал:

• Презентация: (PDF, 1,5 МБ) — обновление 17.03.2017.
• Видео — обновление 22.03.2017.
• Воркшоп по BigARTM на DataFest'4. Видео.

Аддитивная регуляризация тематических моделей

Презентация: (PDF, 3,1 МБ) — обновление 15.03.2018.

Теория ARTM

• Мультимодальные тематические модели
• Регуляризаторы сглаживания и разреживания
• Разделение тем на предметные и фоновые

Время и пространство

• Регуляризаторы времени
• Эксперименты на коллекции пресс-релизов
• Гео-пространственные модели

Иерархические тематические модели

• Нисходящая послойная стратегия
• Оценивание качества тематических иерархий
• Визуализация иерархии

Разведочный информационный поиск

Презентация: (PDF, 4,5 МБ) — обновление 15.03.2018.

Разведочный информационный поиск

• Концепция разведочного поиска
• Визуализация больших текстовых коллекций
• Сценарий разведочного поиска

Эксперименты с тематическим поиском

• Методика эксперимента
• Построение тематической модели
• Оптимизация гиперпараметров

Эксперименты с тематическими моделями

• Измерение качества тематической модели
• Многокритериальное оценивание качества модели
• Определение числа тем и регуляризатор отбора тем

Байесовское обучение тематических моделей

Презентация: (PDF, 1,3 МБ) — обновление ??.??.2018.

EM-алгоритм.

• Задачи оценивания скрытых параметров вероятностной модели.
• EM-алгоритм для максимизации неполного правдоподобия. Сходимость в слабом смысле.
• EM-алгоритм для модели PLSA.
• EM-алгоритм с регуляризацией.

Методы оценивания параметров в модели LDA.

• Модель LDA. Свойства распределения Дирихле.
• Максимизация апостериорной вероятности для модели LDA.
• Вариационный байесовский вывод для модели LDA.
• Сэмплирование Гиббса для модели LDA. Сопряжённые распределения.
• Оптимизация гиперпараметров распределения Дирихле.

Языки описания вероятностных порождающих моделей.

• Графическая плоская нотация (plate notation). Stop using plate notation.
• Псевдокод порождающего процесса (genarative story).
• Постановки оптимизационных задач.
• Как читать статьи по баейсовским моделям и строить эквивалентные ARTM-модели.

Дополнительный материал:

• Потапенко А. А. Байесовское обучение тематических моделей. 2016.

Тематические модели для анализа зависимостей

Презентация: (PDF, 1,9 МБ) — обновление 31.03.2017.

Классификация и регрессия.

• Тематическая модель классификации.
• Пример: Технология информационного анализа электрокардиосигналов.
• Тематическая модель регрессии.

Связи и корреляции.

• Модель коррелированных тем CTM (Correlated Topic Model).
• Регуляризаторы гиперссылок и цитирования. Выявление тематических влияний в научных публикациях.

Социальные сети.

• Выявление тематических сообществ. Регуляризаторы для направленных и ненаправленных связей.
• Регуляризаторы для выявления социальных ролей пользователей.

Мультимодальные тематические модели

Презентация: (PDF, 1,9 МБ) — обновление 07.04.2017.

Мультиязычные тематические модели.

• Параллельные и сравнимые коллекции.
• Регуляризаторы для учёта двуязычных словарей.
• Кросс-язычный информационный поиск.

Трёхматричные и гиперграфовые модели.

• Модели трёхматричных разложений. Понятие порождающей модальности.
• Автор-тематическая модель (author-topic model).
• Примеры транзакционных данных в рекомендательных системах, социальных и рекламных сетях.
• Теорема о необходимом условии максимума регуляризованного правдоподобия для гиперграфовой ARTM.

Тематические модели совстречаемости слов

Презентация: (PDF, 1,6 МБ) — обновление 15.04.2017.

Мультиграммные модели.

• Модель BigramTM.
• Модель Topical N-grams (TNG).
• Мультимодальная мультиграммная модель.

Автоматическое выделение терминов.

• Алгоритм TopMine для быстрого поиска частых фраз. Критерии выделения коллокаций.
• Синтаксический разбор. Нейросетевой синтаксический анализатор SyntaxNet.
• Критерии тематичности фраз.

Тематические модели дистрибутивной семантики.

• Дистрибутивная гипотеза.
• Модель битермов BTM (Biterm Topic Model) для тематизации коллекций коротких текстов.
• Модели WNTM (Word Network Topic Model) и WTM (Word Topic Model). Связь с моделью word2vec.
• Понятие когерентности (согласованности). Экспериментально установленная связь когерентности и интерпретируемости.
• Регуляризаторы когерентности.

Дополнительный материал:

• Потапенко А. А. Векторные представления слов и документов. DataFest'4. Видео.

Тематическая сегментация и суммаризация

Презентация: (PDF, 2,0 МБ) — обновление 05.05.2017.

Модели связного текста.

• Тематическая модель предложений и модель коротких сообщений Twitter-LDA.
• Контекстная документная кластеризация (CDC).
• Метод лексических цепочек.

Тематическая сегментация.

• Метод TopicTiling. Критерии определения границ сегментов.
• Критерии качества сегментации. Оптимизация параметров модели TopicTiling.

Методы суммаризации текстов.

• Автоматическая суммаризация текстов: задачи и подходы.
• Релаксационный метод для многокритериальной дискретной оптимизации.
• Тематическая модель предложений для суммаризации.
• Семейство критериев качества суммаризации ROUGE.

Литература

1. Воронцов К. В. Обзор вероятностных тематических моделей. — обновление 31.07.2017.
2. Blei D. M., Ng A. Y., Jordan M. I. Latent Dirichlet allocation // Journal of Machine Learning Research. — 2003. — Vol. 3. — Pp. 993–1022.
3. Asuncion A., Welling M., Smyth P., Teh Y. W. On smoothing and inference for topic models // Proceedings of the International Conference on Uncertainty in Artificial Intelligence. — 2009.
4. Lu Y., Mei Q., Zhai C. Investigating task performance of probabilistic topic models: an empirical study of PLSA and LDA // Information Retrieval. — 2011. — Vol.14, no.2. — Pp. 178–203.
5. Янина А. О., Воронцов К. В. Мультимодальные тематические модели для разведочного поиска в коллективном блоге // Машинное обучение и анализ данных. 2016. T.2. №2. С.173-186.

Ссылки

• Тематическое моделирование
• Аддитивная регуляризация тематических моделей
• Коллекции документов для тематического моделирования
• BigARTM
• Видеозапись лекции на ТМШ, 19 июня 2015
• Воронцов К.В. Практическое задание по тематическому моделированию, 2014.

Подстраницы