N-gramの意味とnltkを利用した実装例について

1. N-gramとは？

N-gram（エヌグラム）は、テキストやデータの分析で使われる基本的な手法の一つで、連続する単語や文字列を一定の長さに区切ってグループ化する手法を指します。「N」はそのグループ内の要素数を示し、単語や文字の並びを考慮した自然言語処理（NLP）の分野で特によく使われます。

2. N-gramの基本的な考え方

N-gramは、テキストデータを「N個」の連続した要素に分割します。

はるか

N-gramは、単語や文字を区切って分析する手法。

2.1. 例: 文字単位のN-gram

テキスト：「AIは未来」

• 1-gram（Uni-gram） 各文字を1つの単位として分割します。 結果: 「A」「I」「は」「未」「来」
• 2-gram（Bi-gram） 連続する2つの文字を1つの単位とします。 結果: 「AI」「Iは」「は未」「未来」
• 3-gram（Tri-gram） 連続する3つの文字を1つの単位とします。 結果: 「AIは」「Iは未」「は未来」

2.2. 例: 単語単位のN-gram

テキスト：「AIは未来を変える」

• 1-gram 各単語を1つの単位とします。 結果: 「AI」「は」「未来」「を」「変える」
• 2-gram 連続する2つの単語を1つの単位とします。 結果: 「AIは」「は未来」「未来を」「を変える」
• 3-gram 連続する3つの単語を1つの単位とします。 結果: 「AIは未来」「は未来を」「未来を変える」

3. N-gramの数式

ふゅか

N-gramの数式について教えて！数式とか、ちょっと難しそうに見えるけど…。

はるか

実は簡単。テキストをトークン化して、連続するN個の要素を取り出すだけ。

3.1. テキストデータのトークン化

テキストデータを次のように定義します。テキストやデータをトークン（単語や文字）に分割したものを

$$S = \{w_1, w_2, w_3, \dots, w_T\}$$

とします。ここで $w_i$ は $i$ 番目のトークン（単語や文字）を表し、$T$ はトークンの総数です。したがって、$T=|S|$とも書けます。

3.2. N-gramの定義

N-gramは連続する $N$ 個のトークンを取り出したものです。これを数式で表すと

$$\text{N-gram} = \{(w_i, w_{i+1}, \dots, w_{i+N-1}) \mid 1 \leq i \leq T - N + 1\}$$

ここで

• $N$ はグループ化するトークンの数（例: 2ならBi-gram, 3ならTri-gram）。
• $T - N + 1$ はテキスト内のN-gramの総数です。

3.3. 具体例：2-gram（Bi-gram）

テキスト：「AIは未来を変える」をトークン化して次のように表します

$$S = \{\text{“AI”}, \text{“は”}, \text{“未来”}, \text{“を”}, \text{“変える”}\}$$

2-gram（Bi-gram）は次のように計算されます：

$$\text{Bi-gram} = \{(w_1, w_2), (w_2, w_3), (w_3, w_4), (w_4, w_5)\}$$

結果は： $$\{(\text{“AI”}, \text{“は”}), (\text{“は”}, \text{“未来”}), (\text{“未来”}, \text{“を”}), (\text{“を”}, \text{“変える”})\}$$

4. Pythonを利用した実装例

ふゅか

Pythonで実際にN-gramを使ってみたいな！何か便利な方法ってある？

はるか

nltkライブラリ。簡単に使える。

4.1. nltkライブラリを使用

nltk（Natural Language Toolkit）にはn-gramを簡単に生成するユーティリティが含まれています。

4.2. インストール

まず、nltkをインストールします。

pip install nltk

4.3. 使用例

nltk.utilのngramsを利用することで、n-gramを実装することができます。

from nltk.util import ngrams

# テキストからn-gramを生成
text = "I love Python programming".split()
n = 2  # バイグラム
bigrams = list(ngrams(text, n))
print("Bigrams:", bigrams)  # 出力: [('I', 'love'), ('love', 'Python'), ('Python', 'programming')]

# 文字列のn-gramも同様に生成可能
char_bigrams = list(ngrams("Python", 2))
print("Character Bigrams:", char_bigrams)  # 出力: [('P', 'y'), ('y', 't'), ('t', 'h'), ('h', 'o'), ('o', 'n')]

実際に、動かすと次のようになります。