第4讲 词典及容错式检索 Dictionary and tolerant retrieval 授课人：高曙明

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1 第4讲 词典及容错式检索 Dictionary and tolerant retrieval 授课人：高曙明
信息检索与Web搜索 第4讲 词典及容错式检索 Dictionary and tolerant retrieval 授课人：高曙明 *改编自“现代信息检索”网上公开课件（

2 词典数据结构 用于存储词项词汇表的数据结构 采用定长数组的词典结构 空间消耗 : 20字节 4字节 字节 2

3 快速词项定位 给定查询词项“信息”，如何在词典中快速找到 这个词项？ 需要支持快速查找的词典数据结构 选择何种方式需要考虑以下因素：
哈希表方式 搜索树方式 选择何种方式需要考虑以下因素： 词项数目是否固定或者说词项数目是否持续增长？ 词项的相对访问频率如何？ 词项的数目有多少？ 3

4 基于哈希表的词典索引 方法：将每个词项通过哈希函数映射成一个整数
查询处理： 对查询词项进行哈希，如果有冲突， 则解决冲突，最后在定长数组中定位 优点: 在哈希表中的定位速度快于树中的定位速度 查询时间是常数 缺点： 不支持前缀搜索 (比如所有以automat开头的词项) 如果词汇表不断增大，需要定期对所有词项重新哈希 4

5 基于搜索树的词典索引 方法：采用搜索树作为词典的索引，一般采用平衡二叉树 优点：可以支持前缀查找 缺点： 改进：采用 B-树减轻上述问题
搜索速度略低于哈希表方式：O(logM), 其中M是词汇数 使二叉树重新保持平衡开销很大 改进：采用 B-树减轻上述问题 B-树定义：每个内部节点的子节点数目在 [a, b]之间， 其中 a, b 为合适的正整数, e.g., [2, 4]. 5

6 二叉搜索树示例 平衡性，字符集有预定的排序方式 6

7 B-树示例 子节点数目在[2,4]区间 7

8 通配查询 通配查询：指词项中带有通配符“*”的查询 分类： 作用: 满足用户的以下需求 用户需要进行拼写不确定的查询
尾通配符查询 mon* :找出所有包含以 mon开头的词项的文档 首通配符查询 *mon: 找出所有包含以mon结尾的词项的文档 中间通配符查询 m*nchen：找出所有包含以m开头并以nchen 结尾的词项的文档 作用: 满足用户的以下需求 用户需要进行拼写不确定的查询 用户需要查找某个查询词项的所有变形 8

9 通配查询的处理 处理方法: mon*：采用B-树词典结构，搜索区间mon ≤ t < moo 上的所有词项t， 返回相关文档
*mon：将所有的词项倒转过来，然后基于它们建一棵 反向的B树； 返回区间nom ≤ t < non上的词项t m*nchen： 在B-树和反向B树中分别查找满足m*和 *nchen的项集合，然后求交集 9

10 轮排索引(Permuterm index)
轮排词汇集：将一常规词项旋转后得到的集合 举例：对于词项hello，（hello$, ello$h, llo$he, lo$hel, 和 o$hell ）是其轮排词汇集，其中 $ 是一个 特殊符号，用于标识词项结束，每个扩展词都指向 原始词项 轮排索引：将轮排词汇集加入搜索树形成的词典索 引 目的：有效地支持一般性通配符查询 10

11 轮排索引(Permuterm index)
轮排索引与倒排索引 的关联示意图 相对于通常的B-树， 轮排树的空间要大4 倍以上 11

12 基于轮排索引的通配符查询 方法：首先将每个通配查询词项进行旋转，使*出现在末尾，然后在轮排索引的B-树中搜索，最后将搜索结果映射到常规词项
举例： 对于 *X, 查询 X$* 对于 *X*, 查询 X* 对于 X*Y, 查询 Y$X* 对于hel*o，查询 o$hel* 对于 fi*mo*er，先查er$fi*，再除去不包含mo的词 项 12

13 k-gram索引 K-gram: 由K个字符组成的序列（即长度为K的字 符序列）
2-gram: 由2个字符组成的序列，又称为二元组 (bigram) 词项的K-grams: 是一个由词项所包含的所有的k- gram组成的集合 例子: April的bigrams: $a ap pr ri il l$ $ 是一个特殊字符，标识词项的开始或结束 13

14 k-gram索引 K-gram索引：是一种特殊的倒排索引结构，其中词典 由词汇表中所有词项的所有K-gram构成，每个倒排记录 表则由包含该K-gram的所有词项组成 例子： 3-gram(trigram)索引 本质：对词项构建一个倒排索引(二级索引) 优点：比轮排索引空间开销要小 14

15 基于K-gram索引的通配符查询 主要步骤： 例子：查询mon* 对给定的带*的词项，生成其所有的K-gram
基于K-gram索引，找出包含上述所有K-gram的词项集 通过与给定词项进行字符串匹配，对词项集进行过滤 用余下的词项在词项-文档倒排索引中查找文档 例子：查询mon* 执行布尔查询: $m AND mo AND on 所有以前缀mon开始的词项被返回，当然也包含许多伪正 例，比如MOON 15

16 拼写校正 任务目标：对用户输入的错误查询词项进行纠正，通 过纠正用户的查询，提高检索效果 两种方法
任务目标：对用户输入的错误查询词项进行纠正，通 过纠正用户的查询，提高检索效果 两种方法 词独立纠错(Isolated word)法 只检查每个单词本身的拼写错误 如果某个单词拼写错误后变成另外一个单词，则无法查出, e.g., an asteroid that fell form the sky 上下文敏感(Context-sensitive)法 纠错时考虑周围的单词 能纠正上例中的错误 form/from 16

17 词独立纠错法 基本思想：对于一个需要纠错的查询词，在其可能 的正确拼写中，选择距离最近中的最常见的一个 核心问题：词之间的邻近度计算
可能正确拼写的来源：文档集上的词项词汇表 计算两个词的邻近度（相似度） 最常见的选择：词频（文档集中或用户查询记录中） 核心问题：词之间的邻近度计算 两种方法： 基于编辑距离的邻近度计算 基于k-gram重合度的邻近度计算 17

18 基于编辑距离的邻近度计算 编辑距离(Edit distance或者Levenshtein distance)：两个字符串s1和s2之间的编辑距离是指从 s1 转换成s2所需要的最少的基本操作数目 基本操作：插入(insert)、删除(delete)、替换 (replace) 例子：cat-cart: 1；cat-cut: 1；cat-act: 2 计算方法：采用动态规划算法进行计算 18

19 Levenshtein距离: 实例 fast中的f、s、t分别用c、t、s替换，即可得到cats，所以代价是3，即距离是3 19

20 Levenshtein距离：算法 20

21 Levenshtein距离: 算法 (i-1,j-1) (i-1,j) (i,j-1) (i,j) 左邻居 21

22 Levenshtein矩阵单元的组成 从左上角邻居到来的开销 (copy 或 replace) 从上方邻居到来的代价 (delete)
从左方邻居到来的代价 (insert) 上述三者之中最低的代价 22

23 Levenshtein距离: 例子 23

24 带权重的编辑距离 特点：对不同字符进行的操作赋予不同的权重 必要性分析：将字符m替换成n与将字符m替换成q 应该有区别，前者的权重应该更小
目的：通过考虑出错操作发生概率的因素，提高距 离计算准确性 24

25 利用编辑距离进行拼写校正 给定查询词，穷举词汇表中和该查询的编辑距离(或 带权重的编辑聚类)低于某个预定值的所有词项 将结果推荐给用户
代价很大，实际当中往往通过启发式策略提高效率 限制在与查询词具有相同首字母的词项 保证两者之间具有较长公共子串 25

26 基于k-gram重合度的邻近度计算 k-gram重合度：指∣A∩B∣/∣A∪B∣，其中A、B分别是 两个词的k-gram集合
例子：bord 与 boardroom之间的2-gram重合度 A=5, B=10 A∩B=3, A∪B=10+5-3=12 重合度 = 3/12 26

27 基于K-gram索引的拼写校正 主要步骤 确定查询词项的k-gram集合，A 利用k-gram索引返回A相关倒排记录表中的词项
根据给定阈值，确定匹配上的正确词项返回 查询词bord的2-gram索引片段 27

28 上下文敏感的拼写校正 对于flew form Heathrow，如何纠错form？ 一种方法: 基于命中数(hit-based)的拼写校正
对于每个查询词项返回 相近的“正确” 词项 组合所有可能，分别进行查询，取具有最高命中数者 搜索 “fled form Heathrow” 搜索 “flew fore Heathrow” 搜索“flew from Heathrow” 会有最高的结果命中数 问题: 假定 flew有7个可能的候选词, form 有20个， Heathrow 有3 个，那么需要穷举出多少个查询？ 更高效的方法：基于查询库确定合理的组合 28

29 基于发音的校正（Soundex） 目标: 寻找发音相似的单词，对查询进行扩展，提高 检索效果 算法步骤：
比如，对查询词 chebyshev，将其扩展到 tchebyscheff 算法步骤： 将词典中每个词项转换成一个4字符缩减形式 (即进行Soundex编码)，构建词典的soundex索引 对查询词项做同样的处理 基于soundex索引搜索音似词 29

30 Soundex 编码算法 保留词项的首字母 将后续所有的A、E、I、O、U、H、W及Y等字母转换为0。 按照如下方式将字母转换成数字：
B, F, P, V  1 C, G, J, K, Q, S, X, Z  2 D,T  3; L  4; M, N  5; R  6 将连续出现的两个同一字符转换为一个字符直至再没有这种 现象出现。 在结果字符串中剔除0，并在结果字符串尾部补足0，然后 返回前四个字符，该字符由1个字母加上3个数字组成。 30

31 例子: HERMAN的Soundex编码 保留 H ERMAN → 0RM0N 0RM0N → 06505 06505 → 655
注意: HERMANN 会产生同样的编码 31

32 Soundex的应用情况 在IR中并不非常普遍 适用于“高召回率”任务 (e.g., 国际刑警组织Interpol在 全球范围内追查罪犯)
Zobel and Dart (1996)提出了一个更好的发音匹配方 法 32

33 参考资料 《信息检索导论》第3章、MG4.2 高效拼写校正方法:
K. Kukich. Techniques for automatically correcting words in text. ACM Computing Surveys 24(4), Dec 1992. J. Zobel and P. Dart.  Finding approximate matches in large lexicons.  Software - practice and experience 25(3), March Mikael Tillenius: Efficient Generation and Ranking of Spelling Error Corrections. Master’s thesis at Sweden’s Royal Institute of Technology. 33

34 参考资料 Peter Norvig: How to write a spelling corrector
Soundex演示 Levenshtein距离的演示 Peter Norvig的拼写校正工具 34

35 课后作业 见课程网页: