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PyTorch per l'elaborazione del linguaggio naturale, la guida completa

In questo articolo, ci concentreremo su come PyTorch può essere utilizzato per l'elaborazione del linguaggio naturale (NLP). In particolare, esploreremo come PyTorch può essere utilizzato per la classificazione di testo e la generazione di testo, insieme ad altre applicazioni NLP. Inizieremo con una breve introduzione a cosa sia l'NLP e poi passeremo alla descrizione di come PyTorch può essere utilizzato per costruire modelli per queste applicazioni.


Discuteremo anche altri usi di PyTorch nell'NLP, come l'etichettatura delle parti del discorso e la modellizzazione semantica latente. Alla fine dell'articolo, dovresti avere una comprensione più chiara di come PyTorch può essere utilizzato nell'elaborazione del linguaggio naturale.



PyTorch per l'elaborazione del linguaggio naturale

Come utilizzare PyTorch per la classificazione di testo, la generazione di testo e altre applicazioni NLP


  1. Cos'è l'elaborazione del linguaggio naturale (NLP)

  2. PyTorch per NLP

    1. Tensori per la rappresentazione del linguaggio naturale

    2. Preprocessing dei dati di testo

    3. Costruzione di modelli di classificazione di testo

    4. Costruzione di modelli di generazione di testo

  3. Altri usi di PyTorch nell'elaborazione del linguaggio naturale

    1. Etichettatura delle parti del discorso (POS)

    2. Analisi semantica latente (LSA)

    3. Modelli di traduzione

  4. Conclusione


PyTorch per l'elaborazione del linguaggio naturale, una guida completa
PyTorch per l'elaborazione del linguaggio naturale, una guida completa

Cos'è l'elaborazione del linguaggio naturale (NLP)

L'elaborazione del linguaggio naturale (NLP) è un campo dell'informatica e dell'intelligenza artificiale che si occupa di consentire ai computer di comprendere, interpretare e generare il linguaggio umano in modo simile all'uomo. L'NLP comprende una vasta gamma di applicazioni, tra cui la classificazione di testo, la generazione di testo, l'analisi del sentimento, la traduzione automatica, la sommarizzazione del testo e molto altro.


Grazie ai recenti progressi nel deep learning e nell'apprendimento automatico, l'NLP sta diventando sempre più sofisticato e preciso, aprendo nuove opportunità in molti settori, come la ricerca scientifica, il commercio elettronico, la pubblicità e la salute.


PyTorch per NLP

Per l'elaborazione del linguaggio naturale, PyTorch offre una vasta gamma di strumenti, in particolare l'utilizzo di tensori per la rappresentazione del testo è di grande importanza. Possiamo rappresentare il testo come una matrice in cui ogni riga rappresenta una parola e ogni colonna rappresenta un'informazione specifica su quella parola. Ad esempio, possiamo utilizzare una codifica one-hot per rappresentare ogni parola come un vettore binario. Il preprocessing dei dati di testo è inoltre fondamentale per l'efficacia dei modelli di NLP. PyTorch fornisce una vasta gamma di strumenti per la pulizia dei testi, la rimozione della punteggiatura, la tokenizzazione e la creazione di dataset.


Ecco un esempio di preprocessing con PyTorch:



import torchtext

# Definiamo un tokenizer personalizzato
def tokenizer(text):
    return text.split()

# Definiamo il campo del testo
text_field = torchtext.legacy.data.Field(tokenize=tokenizer, lower=True, batch_first=True)

# Carichiamo il dataset
train_data, test_data = torchtext.datasets.IMDB.splits(text_field)

# Costruiamo il vocabolario
text_field.build_vocab(train_data, max_size=10000)

# Creiamo i batch
train_loader, test_loader = torchtext.legacy.data.BucketIterator.splits(
    (train_data, test_data), batch_size=32, device='cuda')

In questo esempio, definiamo un tokenizer personalizzato per la nostra pipeline di preprocessing. Utilizziamo poi il pacchetto torchtext per caricare il dataset IMDB, costruire il vocabolario e creare i batch per l'addestramento e il test del modello.



Tensori per la rappresentazione del linguaggio naturale

Ecco alcuni esempi di come creare e manipolare tensori per la rappresentazione del linguaggio naturale in PyTorch:

  • Creazione di un tensore: possiamo creare un tensore in PyTorch utilizzando il modulo torch e il metodo tensor(). Ad esempio, per creare un tensore di parole italiane, possiamo utilizzare la seguente sintassi:

import torch

# Creazione di un tensore di parole italiane
italian_words = ['ciao', 'buongiorno', 'pomeriggio', 'sera']
italian_tensor = torch.tensor(italian_words)

print(italian_tensor)

Questo codice creerà un tensore di parole italiane con le parole 'ciao', 'buongiorno', 'pomeriggio' e 'sera'.


  • Manipolazione di tensori: possiamo manipolare i tensori in PyTorch per effettuare operazioni matematiche e modificare la loro forma. Ad esempio, per creare un tensore di parole italiane in minuscolo, possiamo utilizzare la seguente sintassi:

import torch

# Creazione di un tensore di parole italiane
italian_words = ['CIAO', 'BUONGIORNO', 'POMERIGGIO', 'SERA']
italian_tensor = torch.tensor(italian_words)

# Conversione in minuscolo
italian_tensor_lower = italian_tensor.str.lower()

print(italian_tensor_lower)

Questo codice creerà un nuovo tensore di parole italiane in minuscolo.


  • Rappresentazione di frasi: per rappresentare frasi o testi più lunghi, possiamo utilizzare una matrice di embedding per rappresentare ogni parola in una dimensione continua. Ad esempio, per rappresentare la frase "Ciao, come stai?", possiamo utilizzare la seguente sintassi:


import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

# Matrice di embedding per le parole italiane
italian_embedding = nn.Embedding(100, 5)

# Creazione di un tensore di parole italiane
italian_words = ['ciao', 'come', 'stai']
italian_tensor = torch.tensor([italian_embedding(word) for word in italian_words])

# Calcolo della media degli embedding per rappresentare la frase
italian_sentence_embedding = torch.mean(italian_tensor, dim=0)

print(italian_sentence_embedding)

Questo codice creerà un tensore che rappresenta la frase "Ciao, come stai?" utilizzando una matrice di embedding per le parole italiane e calcolando la media degli embedding di ogni parola.



Preprocessing dei dati di testo con pytorch

Il preprocessing dei dati di testo è una fase fondamentale per l'elaborazione del linguaggio naturale, in quanto ci permette di rendere i dati di testo utilizzabili per il nostro modello di apprendimento automatico.


Con PyTorch, ci sono diverse tecniche di preprocessing che possiamo utilizzare, come la tokenizzazione, la rimozione delle stop words e la lemmatizzazione. La tokenizzazione è il processo di suddividere un testo in token o parole, mentre la rimozione delle stop words è il processo di rimozione di parole comuni che non forniscono informazioni utili come "il", "e", "di".


La lemmatizzazione, invece, è il processo di riduzione di una parola alla sua forma base, ad esempio riducendo "correndo" a "correre".


Ecco un esempio di codice Python per la tokenizzazione e la rimozione delle stop words di una frase in italiano utilizzando la libreria NLTK:

import nltk
nltk.download('stopwords')
from nltk.corpus import stopwords
from nltk.tokenize import word_tokenize

italian_stop_words = stopwords.words('italian')

testo = "Questo è un esempio di testo in italiano da elaborare"
parole = word_tokenize(testo)
parole_filtrate = [parola for parola in parole if not parola in italian_stop_words]

print(parole_filtrate)

Il risultato di questo esempio sarà una lista delle parole nella frase originale, filtrate dalle stop words:

['Questo', 'esempio', 'testo', 'italiano', 'elaborare']

Un altro esempio di preprocessing dei dati di testo con PyTorch è la lemmatizzazione. Possiamo utilizzare la libreria spaCy per eseguire la lemmatizzazione di un testo in italiano:

import spacy

nlp = spacy.load('it_core_news_sm')
testo = "Questo è un esempio di testo in italiano da elaborare"
doc = nlp(testo)
lemmi = [token.lemma_ for token in doc]

print(lemmi)

Il risultato di questo esempio sarà una lista dei lemmi delle parole nella frase originale:

['questo', 'essere', 'un', 'esempio', 'di', 'testo', 'in', 'italiano', 'da', 'elaborare']



PyTorch per l'elaborazione del linguaggio naturale, una guida completa
PyTorch per l'elaborazione del linguaggio naturale, una guida completa

Costruzione di modelli di classificazione di testo

La classificazione di testo è una delle applicazioni più comuni dell'elaborazione del linguaggio naturale e si basa sulla capacità del modello di assegnare un'etichetta a un testo di input. Per costruire un modello di classificazione di testo con PyTorch, dobbiamo definire l'architettura della rete neurale e preparare i dati di addestramento. In questo caso, utilizzeremo una rete neurale a più strati con un livello di embedding e due strati nascosti completamente connessi.


Per preparare i dati di addestramento, dobbiamo prima convertire le parole in numeri. Possiamo farlo utilizzando un dizionario di parole e assegnando un numero unico ad ogni parola nel dizionario. Inoltre, dobbiamo definire una lunghezza fissa per le frasi e assicurarci che ogni frase abbia la stessa lunghezza, anche se dobbiamo aggiungere zeri alla fine di una frase più corta per farla corrispondere alla lunghezza massima.


Dopo aver preparato i dati, possiamo definire il modello utilizzando PyTorch. In questo caso, utilizzeremo la classe nn.Sequential di PyTorch per definire la struttura della nostra rete neurale. Successivamente, possiamo definire la funzione di loss e il metodo di ottimizzazione per addestrare il modello.


Un esempio di codice per costruire un modello di classificazione di testo con PyTorch potrebbe essere il seguente:


import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim

# Definizione della classe del modello di classificazione
class TextClassifier(nn.Module):
    def __init__(self, input_size, hidden_size, output_size):
        super(TextClassifier, self).__init__()
        self.hidden_size = hidden_size
        self.rnn = nn.RNN(input_size, hidden_size, batch_first=True)
        self.fc = nn.Linear(hidden_size, output_size)
    
    def forward(self, x):
        h0 = torch.zeros(1, x.size(0), self.hidden_size)
        out, _ = self.rnn(x, h0)
        out = self.fc(out[:, -1, :])
        return out

# Definizione dei parametri del modello
input_size = 50 # Lunghezza massima della sequenza di parole
hidden_size = 128 # Dimensione del vettore di hidden state
output_size = 2 # Numero di classi di output (es. pos/neg)

# Creazione del modello
model = TextClassifier(input_size, hidden_size, output_size)

# Definizione della funzione di loss e dell'ottimizzatore
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)

# Training del modello
for epoch in range(num_epochs):
    for i, (inputs, labels) in enumerate(train_loader):
        optimizer.zero_grad()
        outputs = model(inputs)
        loss = criterion(outputs, labels)
        loss.backward()
        optimizer.step()

In questo esempio, stiamo creando un modello di classificazione di testo utilizzando un'architettura di rete neurale ricorrente (RNN) con un layer completamente connesso alla fine. Il modello prende in input sequenze di parole di lunghezza massima input_size e genera un output con dimensione output_size. La funzione di loss utilizzata è la cross entropy loss e l'ottimizzatore è Adam. Infine, il modello viene addestrato su un set di dati di addestramento tramite la backward propagation e l'aggiornamento dei pesi dell'ottimizzatore.




Costruzione di modelli di generazione di testo

La costruzione di modelli di generazione di testo con PyTorch è un campo in continua evoluzione, ma il processo di base rimane lo stesso. Il modello deve essere in grado di apprendere le caratteristiche del testo di input e di generare nuove frasi che abbiano senso grammaticale e semantico. Un esempio di codice potrebbe essere il seguente, dove si utilizza un modello LSTM per generare frasi a partire da un testo di input:


import torch
import torch.nn as nn

# Definizione del modello
class LSTM(nn.Module):
    def __init__(self, input_size, hidden_size, num_layers, output_size):
        super(LSTM, self).__init__()
        self.hidden_size = hidden_size
        self.num_layers = num_layers
        self.lstm = nn.LSTM(input_size, hidden_size, num_layers, batch_first=True)
        self.fc = nn.Linear(hidden_size, output_size)

    def forward(self, x):
        h0 = torch.zeros(self.num_layers, x.size(0), self.hidden_size).to(device)
        c0 = torch.zeros(self.num_layers, x.size(0), self.hidden_size).to(device)
        out, _ = self.lstm(x, (h0, c0))
        out = self.fc(out[:, -1, :])
        return out

# Preprocessing dei dati di input
input_text = "Il gatto si svegliò e miagolò forte."
vocab = list(set(input_text.split()))
word_to_idx = {word: i for i, word in enumerate(vocab)}
idx_to_word = {i: word for i, word in enumerate(vocab)}
input_seq = [word_to_idx[word] for word in input_text.split()]

# Definizione del modello e addestramento
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
model = LSTM(len(vocab), 16, 1, len(vocab)).to(device)
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)

for epoch in range(100):
    input_tensor = torch.tensor(input_seq[:-1]).unsqueeze(0).to(device)
    target_tensor = torch.tensor(input_seq[1:]).unsqueeze(0).to(device)
    output = model(input_tensor)
    loss = criterion(output, target_tensor.view(-1))
    optimizer.zero_grad()
    loss.backward()
    optimizer.step()

# Generazione di testo
start_text = "Il cane"
generated_text = start_text
with torch.no_grad():
    model.eval()
    for i in range(20):
        input_tensor = torch.tensor([word_to_idx[word] for word in generated_text.split()]).unsqueeze(0).to(device)
        output = model(input_tensor)
        _, predicted = torch.max(output, dim=1)
        generated_text += ' ' + idx_to_word[predicted.item()]

print(generated_text)

In questo esempio, il modello LSTM viene utilizzato per generare frasi a partire da un testo di input. Il testo viene preprocessato e convertito in una sequenza di interi, che rappresentano le parole del testo. Il modello viene quindi addestrato utilizzando la funzione di perdita CrossEntropyLoss e l'ottimizzatore Adam. Infine, il modello viene utilizzato per generare nuove frasi partendo da una stringa di input.




Altri usi di PyTorch nel NLP

PyTorch è un framework estremamente flessibile e versatile che può essere utilizzato per risolvere molte altre applicazioni nell'elaborazione del linguaggio naturale oltre alla classificazione e alla generazione di testo.


Etichettatura delle parti del discorso (POS)

Uno dei compiti più comuni in NLP è l'etichettatura delle parti del discorso (POS), che consiste nell'assegnare una classe di parte del discorso a ciascuna parola in una frase. PyTorch è stato utilizzato per costruire modelli POS altamente accurati, utilizzando tecniche come la convoluzione neurale e la rete ricorrente.


Analisi semantica latente (LSA)

Un altro compito importante nell'elaborazione del linguaggio naturale è l'analisi semantica latente (LSA), che cerca di estrarre il significato nascosto nelle parole. PyTorch può essere utilizzato per costruire modelli LSA, che possono aiutare a identificare relazioni nascoste tra parole e concetti in un corpus di testo.


Modelli di traduzione

PyTorch può essere utilizzato per costruire modelli di traduzione di alta qualità. Questi modelli utilizzano tecniche come l'attenzione per identificare parole e frasi chiave in un testo di origine e utilizzarle per generare traduzioni di alta qualità. Con la crescente importanza della comunicazione globale, la traduzione automatica sta diventando sempre più importante, e PyTorch è uno strumento potente per aiutare gli sviluppatori a costruire modelli di traduzione di alta qualità.


Conclusione

Grazie per aver letto questo articolo sull'utilizzo di PyTorch per l'elaborazione del linguaggio naturale. Speriamo che tu abbia apprezzato la teoria e i pratici esempi forniti. PyTorch offre una vasta gamma di funzionalità per l'elaborazione del linguaggio naturale e ci sono ancora molte cose da imparare e scoprire. Siamo felici di aver condiviso queste informazioni con te e speriamo che tu possa utilizzare PyTorch per realizzare progetti interessanti e innovativi nel campo dell'NLP.

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