可视化 | 词嵌入模型用于计算社科领域刻板印象等信息（含视频）

语言的文字反映了人类思想的结构，使我们能够在个人之间传递思想， 而使用大规模语料训练得来的词嵌入模型蕴含着这类信息。英文的词嵌入在社会科学中的应用教程较多，大家可以谷歌查询，我主要想丰富中文数据的教程。

一、了解词嵌入的社科应用

语言的文字反映了人类思想的结构，使我们能够在个人之间传递思想， 而使用大规模语料训练得来的词嵌入模型往往蕴含着这类信息。

1.1 国内外社科方面的应用

在国内社科领域， 应用词嵌入 主要用来做情感分析，大致的算法(思路)是

1. 训练词向量模型
2. 根据词向量cosine或欧几里得距离，度量词语的相似性，进而扩展某种概念词典
3. 检查扩充的概念词典，剔除无效词后。
4. 使用整理好的概念词典，统计文本中出现该概念的词频，当做该概念的代理指标。

但词嵌入在国外社科领域， 使用文本数据也能做出诸如 发散思维计算、刻板印象、阶级财富性别与运动、女性高管就职后公司内性别观念变化、词语百年来语义变迁等议题的实证研究。

下图是「阶级财富性别与运动」，摘自2019年文化几何学这篇论文。

Kozlowski, Austin C., Matt Taddy, and James A. Evans. "The geometry of culture: Analyzing the meanings of class through word embeddings." American Sociological Review 84, no. 5 (2019): 905-949.

。本文主要内容是实现这类文化几何学图的中文可视化。

1.2 之前分享过的资料

之前大邓分享过的词嵌入稍有涉及，感兴趣的可以阅读我之前分享的文章

但可视化分享的不多，本文将用公开的中文预训练模型，验证可视化中文圈的群体记忆、刻板印象、偏见等信息。在此先放一张论文中两个截图， 语义概念向量 一般是由语义相反的两组词构成。

Grand, G., Blank, I.A., Pereira, F. and Fedorenko, E., 2022. Semantic projection recovers rich human knowledge of multiple object features from word embeddings. Nature Human Behaviour, pp.1-13.

概念向量的计算方法

• 二维坐标系下，点和向量都可以用二维数组(m, n)表示。同理，在n维空间中，点和向量都是n维数组。
• 将多个近义的词向量， 通过平均法创建出一个
  均值端点
  。
• 语义完全相反的两个均值端点， 通过减法操作， 得到 概念向量

为啥每个端点向量用多个词计算？

单个词变动较大， 为了保证语义的稳定性，最好是找一组词构成概念的一个端点。

二、准备工作

下载预训练模型，可以查看这篇文章获取

之后安装好本节需要的python包

!pip3 install whatlies==0.7.0
!pip3 install matplotlib_inline
!pip3 install gensim==4.2.0

三、导入预训练模型

使用 gensim 库导入预训练模型，这里我本地保留的是预训练模型是word2vec中的sgns算法训练出来的。导入后的数据是 KeyedVectors 类型的数据。

from gensim.models.keyedvectors import KeyedVectors

# 微博 sgns.weibo.word.bz2 为例  
weibo_wv = KeyedVectors.load_word2vec_format('embeddings/sgns.weibo.word.bz2', 
                                             binary=False, 
                                             unicode_errors='ignore')

# 知乎 sgns.renmin.word.bz2
zhihu_wv = KeyedVectors.load_word2vec_format('embeddings/sgns.zhihu.word.bz2', 
                                              binary=False, 
                                              unicode_errors='ignore')

# 中文维基 
wiki_wv = KeyedVectors.load_word2vec_format('embeddings/sgns.wiki.word.bz2', 
                                              binary=False, 
                                              unicode_errors='ignore')

3.1 预训练模型的词汇量

weibo_wv、zhihu_wv、wiki_wv是KeyedVectors类型的数据，可以直接查看词汇量

print('预训练模型词汇量')

print('微博: ', len(weibo_wv))
print('知乎: ', len(zhihu_wv))
print('中文维基: ', len(wiki_wv))

Run

预训练模型词汇量

微博:  195202
知乎:  259949
中文维基:  352277

3.2 通用词

使用不同数据集训练，得到的语言模型所含词语会有差异。这里我们查看通用词一共有多少

wiki_vocab = set(wiki_wv.index_to_key)
zhihu_vocab = set(zhihu_wv.index_to_key)
weibo_vocab = set(weibo_wv.index_to_key)

#交集
common_vocab = wiki_vocab & zhihu_vocab &  weibo_vocab# intersection

len(common_vocab)

Run

118539

3.3 提取某个词的向量

以维基百科为例， 查看「幸福」的词向量

#只显示向量的前20个数字
wiki_wv['幸福'][:20]

Run

array([ 0.159344,  0.280468, -0.236876, -0.198076, -0.170838,  0.027264,
           -0.349646,  0.289169, -0.421038, -0.470539,  0.247534,  0.112968,
            0.355498,  0.479956,  0.093291,  0.081054, -0.046995, -0.624586,
            0.568242,  0.16665 ], dtype=float32)

3.4 查看词向量的维度

查看向量的长度（维度），以「幸福」为例

print('预训练模型维度数')

print('微博: ', len(weibo_wv["幸福"]))
print('知乎: ', len(zhihu_wv["幸福"]))
print('中文维基: ', len(wiki_wv["幸福"]))

Run

预训练模型维度数
微博:  300
知乎:  300
中文维基:  300

#单个词向量的尺寸
wiki_wv['幸福'].shape

Run

(300,)

3.5 计算多个词向量的均值向量

先看一下多个词提取后得到的数据形状

wiki_wv[['男', '男孩', '父亲', '爷爷']].shape

Run

(4, 300)

4个词，每个词都是300维的词向量。如果计算4个词向量的均值向量，返回的尺寸应该是 (300,)

male_vector = wiki_wv[['男', '男孩', '父亲', '爷爷']].mean(axis=0)
male_vector.shape

Run

(300,)

3.6 最相似的词

网上的教程经常分享最相似的词，这里我们也实验一下。

wiki_wv.most_similar("社会", topn=10)

Run

[('于社会', 0.6210986971855164),
('社会上', 0.5995474457740784),
('社会关系', 0.5894029140472412),
('各阶层', 0.5799717903137207),
('社会制度', 0.5777087211608887),
('社会变迁', 0.5756841897964478),
('令社会', 0.575627326965332),
('社会变革', 0.5755838751792908),
('思想观念', 0.5752044916152954),
('社会存在', 0.573627769947052)]

weibo_wv.most_similar("社会", topn=10)

Run

[('金钱至上', 0.5815222859382629),
('各阶层', 0.5668456554412842),
('福利制度', 0.5532322525978088),
('官与民', 0.5526734590530396),
('高考制度', 0.5515810251235962),
('资源分配', 0.5500271916389465),
('功利主义', 0.5484314560890198),
('分级制', 0.5450907349586487),
('功利化', 0.5432640910148621),
('法制建设', 0.5420899391174316)]

zhihu_wv.most_similar("社会", topn=10)

Run

[('社会存在', 0.6277482509613037),
 ('社会生活', 0.613935649394989),
('社会群体', 0.6123108863830566),
('社会意识', 0.6055717468261719),
('物欲横流', 0.6041101217269897),
('民主决策', 0.602908194065094),
('阶级分化', 0.59609454870224),
('社会上', 0.5932644605636597),
('于社会', 0.5919737219810486),
('法制化', 0.5820874571800232)]

四、 可视化

为了让中文可以在matplotlib正常显示， 需要先运行下方代码

import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib
import platform
import matplotlib_inline
matplotlib_inline.backend_inline.set_matplotlib_formats('png', 'svg')

system = platform.system()  # 获取操作系统类型

if system == 'Windows':
    font = {'family': 'SimHei'}
elif system == 'Darwin':
    font = {'family': 'Arial Unicode MS'}
else:
    # 如果是其他系统，可以使用系统默认字体
    font = {'family': 'sans-serif'}
matplotlib.rc('font', **font)  # 设置全局字体

4.1 运动的贫富和性别属性

先看一个最难的例子， 后面的例子都是围绕ta展开的。

• 性别向量 由 男性均值端点向量 和 女性均值端点向量 计算得来
• 贫富向量 由 富裕均值端点向量 和 贫穷均值端点向量 计算得来

需要注意， 不论是 性别向量、贫富向量 还是运动词的词向量，都是 300维的向量。如果在低维空间，例如2维坐标轴中可视化，需要做投影操作。这里需要一点大学线性代数的点乘知识。

# 获取需要绘制的单词列表
words = ['足球', '拳击', '高尔夫', '棒球', '芭蕾']

# 获取词向量，并转换为 NumPy 数组
vectors = np.array([wiki_wv[word] for word in words])

# 选择两个词向量作为新坐标系的 x 轴和 y 轴
x_axis = wiki_wv[['女', '女孩', '母亲', '奶奶']].mean(axis=0) - wiki_wv[['男', '男孩', '父亲', '爷爷']].mean(axis=0)
y_axis = wiki_wv[['贫穷', '拮据', '囊中羞涩', '困难']].mean(axis=0) - wiki_wv[['富裕', '富有', '贵气', '财富']].mean(axis=0)

# 计算每个词向量在新坐标系中的投影
x_coords = np.dot(vectors, x_axis)
y_coords = np.dot(vectors, y_axis)

# 绘制图形
fig, ax = plt.subplots()
ax.scatter(x_coords, y_coords)

for i, word in enumerate(words):
    ax.annotate(word, (x_coords[i], y_coords[i]))

# 绘制 x 轴和 y 轴的十字线
ax.axhline(y=0, color='k')
ax.axvline(x=0, color='k')

plt.xlim(-1.5, 1.5)
plt.ylim(-1.5, 1.5)

plt.xlabel('性别(男左女右)')
plt.ylabel('贫富(贫下富上)')

plt.title('运动的贫富和性别属性')
#plt.show()

#保存
plt.savefig(fname="img/运动的贫富和性别属性.png", dpi=300)

4.2 使用whatlies处理数据

上面的可视化代码太长了，使用whatlies可以简化代码量。我们把 KeyedVectors类 转为 EmbeddingSet类，这里就可以更容易的把点显示为带箭头的向量。

from whatlies import Embedding, EmbeddingSet

# load vectors as whatlies EmbeddingSet
wiki_emb = EmbeddingSet.from_names_X(names=wiki_wv.index_to_key, 
                                     X=wiki_wv.vectors)

weibo_emb = EmbeddingSet.from_names_X(names=weibo_wv.index_to_key,
                                      X = weibo_wv.vectors)

zhihu_emb = EmbeddingSet.from_names_X(names=zhihu_wv.index_to_key, 
                                      X=zhihu_wv.vectors)

# list similar words, n=10
wiki_emb.score_similar("社会", n=10)

Run

[(Emb[社会], 5.960464477539063e-08),
(Emb[于社会], 0.3789013624191284),
(Emb[社会上], 0.4004524350166321),
(Emb[社会关系], 0.410597026348114),
(Emb[各阶层], 0.42002809047698975),
(Emb[社会制度], 0.4222911596298218),
(Emb[社会变迁], 0.42431581020355225),
(Emb[令社会], 0.42437267303466797),
(Emb[社会变革], 0.424416184425354),
(Emb[思想观念], 0.4247954487800598)]

weibo_emb.score_similar("社会", n=10)

Run

[(Emb[社会], 0.0),
(Emb[金钱至上], 0.41847753524780273),
(Emb[各阶层], 0.43315428495407104),
(Emb[福利制度], 0.4467676877975464),
(Emb[官与民], 0.4473266005516052),
(Emb[高考制度], 0.4484187364578247),
(Emb[资源分配], 0.44997286796569824),
(Emb[功利主义], 0.4515683650970459),
(Emb[分级制], 0.45490920543670654),
(Emb[功利化], 0.4567357897758484)]

4.3 whatlies默认可视化

使用whatlies默认的效果绘制如下，但需要注意， 这里的Dimension0和Dimension1的含义是未知的。所以除了可视化， 含义解读起来比较困难。

# the default X and Y axes are the first two dimensions of the embedding vectors
wiki_emb["马"].plot(kind="arrow", 
                   color="purple")

wiki_emb["鲨鱼"].plot(kind="arrow", color="blue")

wiki_emb["鸟类"].plot(kind="arrow", color="green")
wiki_emb["人"].plot(kind="arrow", color="red")
wiki_emb["蛇"].plot(kind="arrow", color="black")

plt.show()

4.4 使用端点向量当基向量

使用端点向量当基向量，

vecs = wiki_emb["美国", "中国", "俄罗斯", "韩国"]

vecs.plot(x_axis=wiki_emb["弱小"], 
          y_axis=wiki_emb["强大"], 
          color=["purple", "green", "blue", "red"])

#plt.show()
plt.title('国家强弱', fontsize=15, fontweight='bold')
plt.savefig(fname="img/国家强弱.png", dpi=300)

按照我们的理解， 强大 与 弱小是方向相反的。但是如果将这两个词分别做基向量。如图所示，就体现不出方向。

同时，因为给定有意义的基向量作为坐标轴向量， 坐标轴含有了意义，可视化的结果可以看出语义信息的亲疏远近。

可以看到， 中美俄是大国强国，韩国是小国军事弱国。

4.5 使用概念向量当做基向量

当使用概念向量做基向量， 我们就能保留住词语之间的正反方向。避免 4.4 反义词之间无法体现方向性信息。

#待考察词
vecs = wiki_emb['足球', "斗殴", '高尔夫', '篮球', '芭蕾', '男', '女', '富裕', '贫穷', '乒乓球', '举重']

#性别概念向量
sex_vector = wiki_emb[['女', '女孩', '母亲', '奶奶']].average() - wiki_emb[['男', '男孩', '父亲', '爷爷']].average()
#贫富概念向量
disparity_vector = wiki_emb[['富裕', '富有', '贵气', '财富']].average() - wiki_emb[['贫穷', '拮据', '囊中羞涩', '困难']].average() 

#概念向量 做 基向量
vecs.plot(x_axis= sex_vector, 
          y_axis= disparity_vector, 
          color=["purple", "green", "blue", "red"])


#plt.show()
plt.title('运动中体现的贫富与性别信息', fontsize=15, fontweight='bold')
plt.xlabel('性别(男左女右)')
plt.ylabel('贫富(贫下富上)')
plt.savefig(fname="img/运动中体现的贫富与性别信息.png", dpi=300)

刚刚的图中加入了男、女、贫穷、富裕四个词，是为了帮助我们识别出方向来的，判断横纵坐标的含义和方向性。现在我们可以去掉这四个词，绘制更美观的图。

vecs = wiki_emb['足球', '高尔夫', '篮球', '芭蕾', '乒乓球', '举重', '徒步']

sex_vector = wiki_emb[['女', '女孩', '母亲', '奶奶']].average() - wiki_emb[['男', '男孩', '父亲', '爷爷']].average()
disparity_vector = wiki_emb[['富裕', '富有', '贵气', '财富']].average() - wiki_emb[['贫穷', '拮据', '囊中羞涩', '困难']].average() 

vecs.plot(x_axis= sex_vector, 
          y_axis= disparity_vector, 
          color=["purple", "green", "blue", "red"])

#plt.show()
plt.title('运动中体现的贫富与性别信息', fontsize=15, fontweight='bold')


plt.xlim(-0.25, 0.25)
plt.ylim(-0.2, 0.2)

plt.axhline(y=0, color='k')
plt.axvline(x=0, color='k')

#plt.axis('off')
plt.xlabel('性别(男左女右)')
plt.ylabel('贫富(贫下富上)')
plt.savefig(fname="img/运动中体现的贫富与性别信息.png", dpi=300)

从上图可以看出， 在wiki百科中记录下的， 我们对不同运动是存在贫富、性别化的信息。这些信息根据研究场景，解读为刻板印象、态度偏好、文化记忆等。我们再看一个例子， 把中国动物(含神兽)分别在性别维度和尺寸维度可视化。

vecs = wiki_emb['虎', '龙', '猫', '燕子', '蝴蝶']

sex_vector = wiki_emb[['女', '女孩', '母亲', '奶奶']].average()-wiki_emb[['男', '男孩', '父亲', '爷爷']].average()
size_vector = wiki_emb[['大', '庞', '巨', '高']].average() - wiki_emb[['矮', '小', '微', '毫']].average()


vecs.plot(x_axis= sex_vector, 
          y_axis= size_vector, 
          color=["purple", "green", "blue", "red", "yellow", "grey"])

#plt.show()
plt.title('文化中动物词蕴含的性别化和尺寸信息', fontsize=15, fontweight='bold')


plt.xlim(-0.1, 0.1)
plt.ylim(-0.2, 0.2)

plt.axhline(y=0, color='k')
plt.axvline(x=0, color='k')

#plt.axis('off')
plt.xlabel('性别(男左女右)')
plt.ylabel('尺寸(下小上大)')
plt.savefig(fname="img/文化中动物词蕴含的性别化和尺寸信息.png", dpi=300)

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