对于独热编码余弦相似度结果为0和词向量解决了词之间相似性问题的理解

• 对于独热表示的向量，如果采用余弦相似度计算向量间的相似度，可以明显的发现任意两者向量的相似度结果都为 0，即任意二者都不关，也就是说独热表示无法解决词之间的相似性问题。

深入理解

• 独热编码（One-Hot Encoding）是一种将类别型变量转换为二进制向量的方法。对于一个有$N$ 个不同类别的特征，独热编码会创建一个长度为$N$的向量，其中只有一个元素为 1（表示当前类别），其余元素为 0。例如，对于三个类别 “猫”、“狗”、“鸟”，其独热编码可能分别为 $[1,0,0]$、$[0,1,0]$ 和$[0,0,1]$。
• 余弦相似度用于衡量两个向量在方向上的相似性，其中 $A\cdot B$ 是向量的点积，$|A|$ 和$|B|$ 是向量的模（欧几里得范数）。计算公式为：
  $$\text{余弦相似度}=\frac{A\cdot B}{\Vert A\Vert \cdot \Vert B\Vert }$$

对于任意两个不同的独热向量：

• 点积$A\cdot B=0$（因为独热向量只有一个 1，且不同向量的 1 位置不同）。
• 每个向量的模 $|A|=|B|=1$（因为只有一个 1，其余为 0）。

因此，余弦相似度为：
$$\text{余弦相似度}=\frac{0}{1\cdot 1}=0$$

• 这表明任意两个不同的独热向量是完全不相关的（相似度为 0），无法反映它们之间可能存在的语义或实际关系。

简单案例

假设我们有以下三个词的独热编码：

• “猫”：$[1,0,0]$
• “狗”：$[0,1,0]$
• “鸟”：$[0,0,1]$

计算 “猫” 和 “狗” 的余弦相似度：

1. 点积：
   $$[1,0,0]\cdot [0,1,0]=(1\cdot 0)+(0\cdot 1)+(0\cdot 0)=0$$
2. 模：
   $$\begin{gathered} \Vert [1,0,0]\Vert =\sqrt{1^2+0^2+0^2}=1 \\ \Vert [0,1,0]\Vert =\sqrt{0^2+1^2+0^2}=1 \end{gathered}$$
3. 余弦相似度：
   $$\frac{0}{1\cdot 1}=0$$

计算 “猫” 和 “鸟” 的余弦相似度：

1. 点积：
   $$[1,0,0]\cdot [0,0,1]=(1\cdot 0)+(0\cdot 0)+(0\cdot 1)=0$$
2. 模：
   $$\begin{gathered} \Vert [1,0,0]\Vert =1 \\ \Vert [0,0,1]\Vert =1 \end{gathered}$$
3. 余弦相似度：
   $$\frac{0}{1\cdot 1}=0$$

计算 “狗” 和 “鸟” 的余弦相似度：

1. 点积：
   $$[0,1,0]\cdot [0,0,1]=(0\cdot 0)+(1\cdot 0)+(0\cdot 1)=0$$
2. 模：
   $$\begin{gathered} \Vert [0,1,0]\Vert =1 \\ \Vert [0,0,1]\Vert =1 \end{gathered}$$
3. 余弦相似度：
   $$\frac{0}{1\cdot 1}=0$$

结论

• 通过计算可以发现，任意两个不同词的独热编码的余弦相似度均为 0。表明独热编码无法捕捉词与词之间的相似性（例如 “猫” 和 “狗” 都是动物，但相似度为 0）。
• 这是独热编码的局限性之一，因此在实际 NLP 任务中通常会使用更高级的词表示方法（如词嵌入 Word2Vec、GloVe 等）来解决这一问题。

词向量（Word Embedding）简介

• 词向量（Word Embedding）是一种将词语映射到低维连续向量空间的技术，其核心思想是让语义或用法相似的词在向量空间中距离更近。与独热编码不同，词向量是稠密向量（非稀疏），每个维度表示词的某种潜在语义或语法特征（如“性别”、“动作”、“情感”等）。

关键特点：

1. 低维稠密：通常维度为 50-300（远小于独热编码的维度）。
2. 语义可计算：通过向量运算可以捕捉词的关系（如“国王 - 男 + 女 ≈ 女王”）。
3. 相似性量化：余弦相似度可以反映词之间的语义相关性。

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词向量如何解决相似性问题？

独热编码的相似度恒为 0，而词向量通过以下方式解决：

1. 相似词向量接近：通过训练（如预测上下文），模型会使得“猫”和“狗”的向量方向接近。
2. 连续空间表示：向量的每一维对应某种潜在特征，例如：
   • 维度1：动物性（猫=0.9，狗=0.8，汽车=0.1）
   • 维度2：家用性（猫=0.7，狗=0.6，汽车=0.3）

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简单案例：基于上下文的词向量训练

• 假设有一个小型语料库和简化的词向量（维度=2）：句子："猫 吃 鱼", "狗 吃 肉"
• 初始随机向量（训练前）：
  • 猫: [0.2, 0.4]
  • 狗: [0.3, 0.1]
  • 吃: [0.5, 0.5]
  • 鱼: [0.1, 0.6]
  • 肉: [0.2, 0.2]

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• 目标：通过训练（如Skip-gram模型），调整向量使得共享上下文的词（如“猫”和“狗”都邻近“吃”）在向量空间中接近。

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训练步骤（简化）：

1. 输入“吃”，预测上下文“猫”或“狗”。
2. 计算“吃”的向量与“猫”的向量点积，通过Softmax得到概率。
3. 根据预测误差反向传播，更新“吃”、“猫”、“狗”的向量。

训练后可能结果（假设）：

• 猫: [0.8, 0.5]
• 狗: [0.7, 0.4]
• 吃: [0.6, 0.6]

此时，“猫”和“狗”的向量更接近。

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计算相似度（训练后）
余弦相似度公式：
$$\text{相似度}=\frac{A\cdot B}{\Vert A\Vert \cdot \Vert B\Vert }$$

1. 猫 vs 狗：
   • 点积：$0.8\times 0.7+0.5\times 0.4=0.56+0.20=0.76$
   • 模：$|A|=\sqrt{0.8^2+0.5^2}\approx 0.94$,$|B|\approx 0.81$
   • 相似度：$\frac{0.76}{0.94\times 0.81}\approx 0.99$

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2. 猫 vs 肉（无关词）：
   • 假设“肉”向量为 [0.2, 0.2]
   • 点积：$0.8\times 0.2+0.5\times 0.2=0.26$
   • 相似度：$\frac{0.26}{0.94\times 0.28}\approx 0.99$

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词向量的典型应用

1. 词类比任务： $\text{国王}-\text{男}+\text{女}\approx \text{女王}$
2. 文本分类：将词向量求和/平均作为句子表示。
3. 语义搜索：用向量相似度匹配查询词和相关文档。

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总结

词向量通过将词映射到连续空间，使得：

• 语义相似的词向量距离接近。
• 支持向量运算捕捉复杂关系（如类比关系）。
• 解决了独热编码无法表示相似性的缺陷。

实际中，Word2Vec、GloVe等模型通过大规模语料训练，自动学习这种分布式表示。