04. 자연어처리 - 임베딩

1. 자연어의 특성

 

• 자연어를 기계가 처리하도록 하기 위해서 먼저 자연어를 기계가 이해할 수 있는 언어로 바꾸는 방법을 알아야 함
• 토큰화 작업의 결과인 단어 사전을 기계가 이해할 수 있는 언어로 표현하는 과정이고,
  단어 사전 내 단어 하나를 어떻게 표현할까의 문제로 볼 수 있음 

 

1. 단어의 유사성과 모호성

단어의 의미는 유사성과 모호성을 가지고 있는데 단어는 겉으로 보이는 형태인 표제어안에 여러가지 의미를 담고 있음  사람은 주변 정보에 따라 숨겨진 의미를 파악하고 이해할 수 있으나,  기계는 학습의 부재 또는 잘못된 데이터로 의미를 파악하지 못하는 경우가 있음  한 가지 형태의 단어에 여러 의미가 포함되어 생기는 중의성 문제는 자연어 처리에서 매우 중요 동형어: 형태는 같으나 뜻이 서로 다른 단어 _예) 배 다의어: 하나의 형태가 여러 의미를 지니면서도 그 의미들이 서로 관련이 있는 단어_ 예) 머리 동의어 : 서로 다른 형태의 단어들이 동일한 의미를 가지는 단어 _예)춘추 - 나이 상의어 : 상위 개념을 가지키는 단어 _예)동물 하의어 : 하위 개념을 가리키는 단어 _예)강아지

2. 언어의 모호성을 해소

동형어나 다의어처럼 여러 의미를 가지는 단어들이 하나의 형태로 공유,  동의어처럼 하나의 형태를 가지는 단어들이 서로 같은 의미를 공유 단어의 중위성 해소(WSD) 알고리즘 방법을 통헤 단어의 의미를 명확히 함  지식 기반 단어 중요성으로 모호성을 해소 컴퓨터가 읽을수 있는 사전이나 어휘집 등을 바탕으로 단어의 의미를 추론하는 접근 방식  사람이 직접 선별해서 데이터를 넣으므로 노이즈가 작음  구축에 많은 리소스가 필요함  데이터 편향이 생길 수 있음  영어 자연어처리 분야에서 가장 유명한 WordNet이 있음  지도 학습 기반 단어 중요성으로 모호성을 해소 지도 학습은 데이터에 정답이 있다는 의미로, 각종 기계 학습 알고리즘을 통해 단어 의미를 분류하는 방법 WSD라고 하면 보통 단어의 세부 의미가 부착된 코퍼스를 학습 데이터로 사용하여 학습에 쓰이지 않았던 새로운 문장에서 단어 의미를 판별해내는 경우 좋은 성능을 위해서는 질 높은 레이블을 가진 많은 데이터가 필요  데이터가 충분할 경우 일반화된 환경에서 좋은 성능을 낼 수 있음  비지도 학습 기반 단어 중요성으로 모호성을 해소 비지도 학습는 단어 의미 추론 작업인 WSI를 가리키는 경우가 많음  문장에 등장하는 각 단어의 의미를 사전적인 의미에 연결하지 않고, 세부 의미가 같은 맥락을 군집화하는 데에 초점을 맞춤 대규모 자연어 코퍼스로부터 추가 작업없이 자동적으로 학습을 수행할 수 있어서 활용 가능성이 높음 사람이 직접 제작한 학습 데이터를 사용하지 않기 때문에 성능을 내기 어려움

 

 

 

2. 임베딩 구축 방법

 

1. 임베딩이란?

자연어 처리 작업에서 특징 추출을 통해 자연어를 수치화하는 과정이 필요하고 이것이 백터화의 과정이자 결과 토큰화 작업의 목표는 임베딩을 만들기 위한 단어 사전을 구축하는 것

2. 임베딩의 역할

자연어의 의미적인 정보를 함축 자연어의 중요한 특징들을 추출하여 백터로 압축하는 과정 임베딩으로 표현된 문장은 실제 자연어의 주요 정보들을 포함하고 있음 백터인 만큼 사칙연산이 가능하여 단어 백터 간 덧셈/뺄셈을 통해 단어들 사이의 의미적 문법적 관계를 도출 임베딩의 품질을 평가하기 위해 사용되는 단어 유출 평가가 존재함  * 사이트: https://word2vec.kr/search/ 자연어 간의 유사도 계산  자연어를 백터로 표현하면 코사인 유사도를 활용하여 두 백터 간 유사도를 계산할 수 있음 코사인 유사도는 -1이상 1이하의 값을 가지며, 값이 1에 가까울수록 유사도가 높다고 판단함  전이 학습  이미 만들어진 임베딩을 다른 작업을 학습하기 위한 입력값으로 쓰임 품질 좋은 임베딩을 사용할수록 목표로하는 자연어처리 작업의 학습속도와 성능이 향상됨 매번 새로운 것을 배울 때 scratch 부터 시작한자면 매 학습이 오래 걸림  파인 튜닝: 학습하는데 전이학습에 의한 임베딩을 초기화하여 사용한 편, 새로운 작업을 학습함에도 빠르게 학습할 수 있고 성능도 좋아짐

3. 단어 출현 빈도의 기반한 임베딩 추축 방법

원 핫 인코딩  자연어를 0과 1로 구별하겠다는 인코딩 방법  표현하고 싶은 단어의 인덱스에 1의 값을 부여하고, 나머지 인덱스에는 0을 부여하는 백터 표현 방식 예)"...오늘 날씨가 참 좋다.." -> {...5:"좋다",6:"날씨", ...13:"오늘". 256:"참", 257:"가"...} 일반적으로 빈도수를 정렬하고 사용, 인덱스의 순서가 의미가 없음 순서가 없는 카테코리컬 피쳐인 경우 클래스 갯수가 3개 이상일 때 원핫 인코딩을 함   단어 사전의 크기가 10000개 하면, 총 10000개 중 현재 내가 원하는 단어를 표현하는 1개의 차원에만 1을 , 나머지 9999개의 차원는 0으로 표현하는 방법  대부분의 값들이 0인 행렬을 희소행렬이라하는데 크기는 계속 중가하나 증가하는 크기에 비해 표현의 효율성을 떨어짐 단어의 유사도를 표현하지 못함  Bag of Words  단어들의 순서는 전혀 고려하지 않고 단어들의 출현빈도에 집중하는 자연어 코퍼스의 데이터 수치화 방법 각 단어의 고유한 정수 인덱스를 부여하여 단어 집합을 생성하고 각 인덱스의 위치에 단어 토큰의 등장 횟수를 기록한 백터를 만듦 단어 단위의 압축 방식이기 때문에 희소 문제와 단어 순서를 반영하지 못함 문장을 표현하는 방법 ->  원 핫 인코딩을 모두 더함 TF-IDF 단어의 빈도와 역문서 빈도를 사용하여 문서-단어 행렬 내 각 단어들의 중요한 정도를 가중치로 주는 표현방법  문서의 유사도를 구하는 작업, 검색 시스템에서 검색 결과의 중요도를 정하는 작업, 문서 내에서 특정 단어의 중요도를 구하는 작업 둥에서 효과적으로 쓰일 수 있음 단어의 중요도를 고려해도 여전히 단어의 빈도로 판단하는 표현방식이기 때문에 맥락적 유사도를 반영하지 못함

4. 단어의 순서

통계 기반 언어 모델 단어가 n개 주어졌을 때 언어 모델은 n개의 단어가 동시에 나타날 확률을 반환  문장은 어순을 고려하여 여러 단어로 이루어진 단어 시퀀스라고 부르며 n개의 단어로 구성된 시퀀스를 확률적으로 표현  딥러닝 모델 통계 기반 언어 모델에서는 비도라는 통계량을 활용하여 확률을 추산했지만, 딥러닝 기반 언어 모델들이 등장하면서 입력과 출력사이의 관계를 유연하게 정의할 수 있게 되고 그 자체로 확률 모델로 동작할 수 있음  MLM(Masked Language Modeling) 문장 중간에 마스크를 씌워서 해당 마스크에 어떤 단어가 올지 예측하는 과정에서 학습을 진행  문장 전체를 다 보고 중간에 있는 단어를 예측하기 때문에 양방향 학습이 가능  대표적인 BERT 모델이 있음 Next Token Prediction 주어진 단어 시퀀스를 가지고 다음 단어로 어떤 단어가 올지 예측하는 과정에서 학습  단어를 순차적으로 입력 받은 뒤 다음 단어를 맞춰야하기 때문에 한방향 학습을 함  대표적으로 GPT, ELMo등

 

 

 

 

3. 텍스트 유사도

 

• 두 개의 자연어 텍스트가 얼마나 유사한지를 나타내는 방법 
• 유사도를 정의하거나 판단하는 척도가 주관적이기 떄문에, 최대한 정량화하는 방법을 찾는 것이 중요함
  

 

1. 유클리디안 거리 기반 유사도

두 점 사이의 거리를 측정하는 유클리디안 거기 공식을 사용하여 문서의 유사도를 구하는 방법으로 거리가 가까울수록 유사도가 높다고 판단함 자연어처리 분야 뿐 아니라 다른 분야에서도 범용적으로 사용되는 거리 측정 기법

2. 맨해튼 거리 기반 유사도

맨해튼 거리를 사용하여 문서의 유사도를 구하는 방법 유클리드 거리 공식과 유사하나, 각차원의 차를 곱해서 사용하는 대신, 절대값을 바로 합산함  유클리드 거리 공식보다 값이 크거나 같음  다차원 공간 상에서 두 좌표 간 최단거리를 구하는 방법이 아니다 보니 특별한 상황이 아니면 잘 사용되지 않음

3. 코사인 유사도

두 개의 백터값에서 코사인 각도를 이용하여 구할 수 있는 두 백터의 유사도를 의미  두 백터의 방향이 완전히 동일한 경우는 1의 값을 가지며, 90도의 각을 이루면 0, 180도로 반대의 방향을 가지면 -1의 값을 가짐  -1이상 1이하의 값을 가지며, 값이 1에 가까울수록 유사하다는 것을 의미  두 백터가 가리키는 방향이 얼마나 유사한가를 의미하기 때문에 자연어 내 유사도 계산에 더 적합함

4. 자카드 유사도

두 문장을 각각 단어의 집합으로 만든 뒤 두 집합을 통해 유사도를 측정하는 방식 수치화된 백터 없이 단어 집합만으로 계산할 수 있음 두 집합의 교집합인 공통된 단어의 개수를 두 집합의 합집합을 전체 단어의 개수로 나누는 것  전체 합집합 중 공통의 단어의 개수에 따라 0과 1사이의 값을 가지며, 1에 가까울수록 유사도가 높음