Как вы уже знаете, в тематическом моделировании делается предположение о том, что для определения тематики порядок слов в документе не важен; об этом гласит гипотеза «мешка слов». Сегодня мы будем работать с несколько нестандартной для тематического моделирования коллекцией, которую можно назвать «мешком ингредиентов», потому что на состоит из рецептов блюд разных кухонь. Тематические модели ищут слова, которые часто вместе встречаются в документах, и составляют из них темы. Мы попробуем применить эту идею к рецептам и найти кулинарные «темы». Эта коллекция хороша тем, что не требует предобработки. Кроме того, эта задача достаточно наглядно иллюстрирует принцип работы тематических моделей.
Для выполнения заданий, помимо часто используемых в курсе библиотек, потребуются модули json и gensim. Первый входит в дистрибутив Anaconda, второй можно поставить командой
pip install gensim
Построение модели занимает некоторое время. На ноутбуке с процессором Intel Core i7 и тактовой частотой 2400 МГц на построение одной модели уходит менее 10 минут.
Коллекция дана в json-формате: для каждого рецепта известны его id, кухня (cuisine) и список ингредиентов, в него входящих. Загрузить данные можно с помощью модуля json (он входит в дистрибутив Anaconda):
In [1]:
import json
In [2]:
with open("recipes.json") as f:
recipes = json.load(f)
In [3]:
print(recipes[0])
In [4]:
from gensim import corpora, models
import numpy as np
Наша коллекция небольшая, и целиком помещается в оперативную память. Gensim может работать с такими данными и не требует их сохранения на диск в специальном формате. Для этого коллекция должна быть представлена в виде списка списков, каждый внутренний список соответствует отдельному документу и состоит из его слов. Пример коллекции из двух документов:
[["hello", "world"], ["programming", "in", "python"]]
Преобразуем наши данные в такой формат, а затем создадим объекты corpus и dictionary, с которыми будет работать модель.
In [5]:
texts = [recipe["ingredients"] for recipe in recipes]
dictionary = corpora.Dictionary(texts) # составляем словарь
corpus = [dictionary.doc2bow(text) for text in texts] # составляем корпус документов
In [6]:
print(texts[2])
print(corpus[2])
У объекта dictionary есть полезная переменная dictionary.token2id, позволяющая находить соответствие между ингредиентами и их индексами.
Вам может понадобиться документация LDA в gensim.
Задание 1. Обучите модель LDA с 40 темами, установив количество проходов по коллекции 5 и оставив остальные параметры по умолчанию.
Затем вызовите метод модели show_topics, указав количество тем 40 и количество токенов 10, и сохраните результат (топы ингредиентов в темах) в отдельную переменную. Если при вызове метода show_topics указать параметр formatted=True, то топы ингредиентов будет удобно выводить на печать, если formatted=False, будет удобно работать со списком программно. Выведите топы на печать, рассмотрите темы, а затем ответьте на вопрос:
Сколько раз ингредиенты "salt", "sugar", "water", "mushrooms", "chicken", "eggs" встретились среди топов-10 всех 40 тем? При ответе не нужно учитывать составные ингредиенты, например, "hot water".
Передайте 6 чисел в функцию save_answers1 и загрузите сгенерированный файл в форму.
У gensim нет возможности фиксировать случайное приближение через параметры метода, но библиотека использует numpy для инициализации матриц. Поэтому, по утверждению автора библиотеки, фиксировать случайное приближение нужно командой, которая написана в следующей ячейке. Перед строкой кода с построением модели обязательно вставляйте указанную строку фиксации random.seed.
In [7]:
from gensim.models import LdaModel
In [8]:
np.random.seed(76543)
# здесь код для построения модели:
lda = LdaModel(corpus, num_topics=40, passes=5)
In [9]:
lda.show_topics(num_topics=40, num_words=10)
Out[9]:
In [10]:
top_words = lda.show_topics(num_topics=40, num_words=10, formatted=False)
top_words = [tup[1] for tup in top_words]
print(top_words)
ingrids = ["salt", "sugar", "water", "mushrooms", "chicken", "eggs"]
ids = [dictionary.token2id[x] for x in ingrids]
counts = {"salt": 0, "sugar": 0, "water": 0, "mushrooms": 0, "chicken": 0, "eggs": 0}
for ingrid_list in top_words:
for x in ingrid_list:
for i in range(len(ids)):
if ids[i] == int(x[0]):
counts[ingrids[i]] += 1
In [11]:
def save_answers1(c_salt, c_sugar, c_water, c_mushrooms, c_chicken, c_eggs):
with open("cooking_LDA_pa_task1.txt", "w") as fout:
fout.write(" ".join([str(el) for el in [c_salt, c_sugar, c_water, c_mushrooms, c_chicken, c_eggs]]))
In [12]:
save_answers1(counts["salt"], counts["sugar"], counts["water"], counts["mushrooms"], counts["chicken"], counts["eggs"])
В топах тем гораздо чаще встречаются первые три рассмотренных ингредиента, чем последние три. При этом наличие в рецепте курицы, яиц и грибов яснее дает понять, что мы будем готовить, чем наличие соли, сахара и воды. Таким образом, даже в рецептах есть слова, часто встречающиеся в текстах и не несущие смысловой нагрузки, и поэтому их не желательно видеть в темах. Наиболее простой прием борьбы с такими фоновыми элементами — фильтрация словаря по частоте. Обычно словарь фильтруют с двух сторон: убирают очень редкие слова (в целях экономии памяти) и очень частые слова (в целях повышения интерпретируемости тем). Мы уберем только частые слова.
In [13]:
import copy
dictionary2 = copy.deepcopy(dictionary)
In [14]:
print(dictionary2.dfs)
Задание 2. У объекта dictionary2 есть переменная dfs — это словарь, ключами которого являются id токена, а элементами — число раз, сколько слово встретилось во всей коллекции. Сохраните в отдельный список ингредиенты, которые встретились в коллекции больше 4000 раз. Вызовите метод словаря filter_tokens, подав в качестве первого аргумента полученный список популярных ингредиентов. Вычислите две величины: dict_size_before и dict_size_after — размер словаря до и после фильтрации.
Затем, используя новый словарь, создайте новый корпус документов, corpus2, по аналогии с тем, как это сделано в начале ноутбука. Вычислите две величины: corpus_size_before и corpus_size_after — суммарное количество ингредиентов в корпусе (для каждого документа вычислите число различных ингредиентов в нем и просуммируйте по всем документам) до и после фильтрации.
Передайте величины dict_size_before, dict_size_after, corpus_size_before, corpus_size_after в функцию save_answers2 и загрузите сгенерированный файл в форму.
In [15]:
too_often_tokens = [x[0] for x in dictionary2.dfs.items() if x[1] > 4000]
print(len(too_often_tokens))
In [16]:
dictionary2.filter_tokens(too_often_tokens)
In [17]:
dict_size_before = len(dictionary)
dict_size_after = len(dictionary2)
print(dict_size_before)
print(dict_size_after)
In [18]:
new_corpus = [dictionary2.doc2bow(text) for text in texts]
In [19]:
corpus_size_before = 0
corpus_size_after = 0
for doc1, doc2 in zip(corpus, new_corpus):
corpus_size_before += len(doc1)
corpus_size_after += len(doc2)
In [20]:
print(corpus_size_before)
print(corpus_size_after)
In [21]:
def save_answers2(dict_size_before, dict_size_after, corpus_size_before, corpus_size_after):
with open("cooking_LDA_pa_task2.txt", "w") as fout:
fout.write(" ".join([str(el) for el in [dict_size_before, dict_size_after, corpus_size_before, corpus_size_after]]))
In [22]:
save_answers2(dict_size_before, dict_size_after, corpus_size_before, corpus_size_after)
Задание 3. Постройте еще одну модель по корпусу corpus2 и словарю dictionary2, остальные параметры оставьте такими же, как при первом построении модели. Сохраните новую модель в другую переменную (не перезаписывайте предыдущую модель). Не забудьте про фиксирование seed!
Затем воспользуйтесь методом top_topics модели, чтобы вычислить ее когерентность. Передайте в качестве аргумента соответствующий модели корпус. Метод вернет список кортежей (топ токенов, когерентность), отсортированных по убыванию последней. Вычислите среднюю по всем темам когерентность для каждой из двух моделей и передайте в функцию save_answers3.
In [23]:
np.random.seed(76543)
lda2 = LdaModel(new_corpus, id2word=dictionary2, num_topics=40, passes=5)
In [24]:
coherensions = lda.top_topics(corpus)
coherensions2 = lda2.top_topics(new_corpus)
In [25]:
coherence = np.array(x[1] for tup in coherensions for x in tup).mean()
coherence2 = np.array(x[1] for tup in coherensions2 for x in tup).mean()
In [26]:
def save_answers3(coherence, coherence2):
with open("cooking_LDA_pa_task3.txt", "w") as fout:
fout.write(" ".join(["%3f"%el for el in [coherence, coherence2]]))
In [27]:
save_answers3(coherence, coherence2)
Считается, что когерентность хорошо соотносится с человеческими оценками интерпретируемости тем. Поэтому на больших текстовых коллекциях когерентность обычно повышается, если убрать фоновую лексику. Однако в нашем случае этого не произошло.
В этом разделе мы будем работать со второй моделью, то есть той, которая построена по сокращенному корпусу.
Пока что мы посмотрели только на матрицу темы-слова, теперь давайте посмотрим на матрицу темы-документы. Выведите темы для нулевого (или любого другого) документа из корпуса, воспользовавшись методом get_document_topics второй модели:
In [28]:
print(lda2.get_document_topics(new_corpus[2]))
Также выведите содержимое переменной .alpha второй модели:
In [29]:
print(lda2.alpha)
У вас должно получиться, что документ характеризуется небольшим числом тем. Попробуем поменять гиперпараметр alpha, задающий априорное распределение Дирихле для распределений тем в документах.
Задание 4. Обучите третью модель: используйте сокращенный корпус (corpus2 и dictionary2) и установите параметр alpha=1, passes=5. Не забудьте про фиксацию seed! Выведите темы новой модели для нулевого документа; должно получиться, что распределение над множеством тем практически равномерное. Чтобы убедиться в том, что во второй модели документы описываются гораздо более разреженными распределениями, чем в третьей, посчитайте суммарное количество элементов, превосходящих 0.01, в матрицах темы-документы обеих моделей. Другими словами, запросите темы модели для каждого документа с параметром minimum_probability=0.01 и просуммируйте число элементов в получаемых массивах. Передайте две суммы (сначала для модели с alpha по умолчанию, затем для модели в alpha=1) в функцию save_answers4.
In [30]:
np.random.seed(76543)
lda3 = LdaModel(corpus=new_corpus, id2word=dictionary2, alpha=1, num_topics=40, passes=5)
In [31]:
print(lda3.get_document_topics(new_corpus[0]))
In [32]:
sum2 = 0
sum3 = 0
for text in new_corpus:
sum2 += len(lda2.get_document_topics(text, minimum_probability=0.01))
sum3 += len(lda3.get_document_topics(text, minimum_probability=0.01))
In [33]:
def save_answers4(count_model2, count_model3):
with open("cooking_LDA_pa_task4.txt", "w") as fout:
fout.write(" ".join([str(el) for el in [count_model2, count_model3]]))
In [34]:
save_answers4(sum2, sum3)
Таким образом, гиперпараметр alpha влияет на разреженность распределений тем в документах. Аналогично гиперпараметр eta влияет на разреженность распределений слов в темах.
Иногда, распределения над темами, найденные с помощью LDA, добавляют в матрицу объекты-признаки как дополнительные, семантические, признаки, и это может улучшить качество решения задачи. Для простоты давайте просто обучим классификатор рецептов на кухни на признаках, полученных из LDA, и измерим точность (accuracy).
Задание 5. Используйте модель, построенную по сокращенной выборке с alpha по умолчанию (вторую модель). Составьте матрицу $\Theta = p(t|d)$ вероятностей тем в документах; вы можете использовать тот же метод get_document_topics, а также вектор правильных ответов y (в том же порядке, в котором рецепты идут в переменной recipes). Создайте объект RandomForestClassifier со 100 деревьями, с помощью функции cross_val_score вычислите среднюю accuracy по трем фолдам (перемешивать данные не нужно) и передайте в функцию save_answers5.
In [35]:
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
from sklearn.cross_validation import cross_val_score
In [36]:
X = np.zeros((len(recipes), lda2.num_topics))
for doc_num in range(len(new_corpus)):
for topic_num, topic_proba in lda2.get_document_topics(new_corpus[doc_num]):
X[doc_num][topic_num] = topic_proba
In [37]:
y = np.array([recipe['cuisine'] for recipe in recipes])
print(len(y))
In [38]:
rfc = RandomForestClassifier(n_estimators=100)
rfc.fit(X, y)
cv_score = cross_val_score(rfc, X, y, cv=3).mean()
print(cv_score)
In [39]:
def save_answers5(accuracy):
with open("cooking_LDA_pa_task5.txt", "w") as fout:
fout.write(str(accuracy))
In [40]:
save_answers5(cv_score)
Для такого большого количества классов это неплохая точность. Вы можете попроовать обучать RandomForest на исходной матрице частот слов, имеющей значительно большую размерность, и увидеть, что accuracy увеличивается на 10–15%. Таким образом, LDA собрал не всю, но достаточно большую часть информации из выборки, в матрице низкого ранга.
Матричное разложение, использующееся в LDA, интерпретируется как следующий процесс генерации документов.
Для документа $d$ длины $n_d$:
Подробнее об этом в Википедии.
В контексте нашей задачи получается, что, используя данный генеративный процесс, можно создавать новые рецепты. Вы можете передать в функцию модель и число ингредиентов и сгенерировать рецепт :)
In [124]:
def generate_recipe(model, num_ingredients):
theta = np.random.dirichlet(model.alpha)
for i in range(num_ingredients):
t = np.random.choice(np.arange(model.num_topics), p=theta)
topic = model.show_topic(t, topn=model.num_terms)
topic_distr = [x[1] for x in topic]
terms = [x[0] for x in topic]
w = np.random.choice(terms, p=topic_distr)
print(w)
In [125]:
generate_recipe(lda2, 5)
Вы можете рассмотреть топы ингредиентов каждой темы. Большиснтво тем сами по себе похожи на рецепты; в некоторых собираются продукты одного вида, например, свежие фрукты или разные виды сыра.
Попробуем эмпирически соотнести наши темы с национальными кухнями (cuisine). Построим матрицу $A$ размера темы $x$ кухни, ее элементы $a_{tc}$ — суммы $p(t|d)$ по всем документам $d$, которые отнесены к кухне $c$. Нормируем матрицу на частоты рецептов по разным кухням, чтобы избежать дисбаланса между кухнями. Следующая функция получает на вход объект модели, объект корпуса и исходные данные и возвращает нормированную матрицу $A$. Ее удобно визуализировать с помощью seaborn.
In [41]:
import pandas
import seaborn
from matplotlib import pyplot as plt
%matplotlib inline
In [42]:
def compute_topic_cuisine_matrix(model, corpus, recipes):
# составляем вектор целевых признаков
targets = list(set([recipe["cuisine"] for recipe in recipes]))
# составляем матрицу
tc_matrix = pandas.DataFrame(data=np.zeros((model.num_topics, len(targets))), columns=targets)
for recipe, bow in zip(recipes, corpus):
recipe_topic = model.get_document_topics(bow)
for t, prob in recipe_topic:
tc_matrix[recipe["cuisine"]][t] += prob
# нормируем матрицу
target_sums = pandas.DataFrame(data=np.zeros((1, len(targets))), columns=targets)
for recipe in recipes:
target_sums[recipe["cuisine"]] += 1
return pandas.DataFrame(tc_matrix.values/target_sums.values, columns=tc_matrix.columns)
In [43]:
def plot_matrix(tc_matrix):
plt.figure(figsize=(10, 10))
seaborn.heatmap(tc_matrix, square=True)
In [44]:
plot_matrix(compute_topic_cuisine_matrix(lda2, new_corpus, recipes))
Чем темнее квадрат в матрице, тем больше связь этой темы с данной кухней. Мы видим, что у нас есть темы, которые связаны с несколькими кухнями. Такие темы показывают набор ингредиентов, которые популярны в кухнях нескольких народов, то есть указывают на схожесть кухонь этих народов. Некоторые темы распределены по всем кухням равномерно, они показывают наборы продуктов, которые часто используются в кулинарии всех стран.
Жаль, что в датасете нет названий рецептов, иначе темы было бы проще интерпретировать...