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使用 t-SNE 可视化嵌入

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概览

本教程演示了如何使用 Gemini API 中的嵌入直观呈现和执行聚类。您将使用 t-SNE 直观呈现 20 个 Newsgroup 数据集的一个子集，并使用 KMeans 算法对该子集进行聚类。

如需详细了解如何开始使用 Gemini API 生成的嵌入，请参阅 Python 快速入门。

前提条件

您可以在 Google Colab 中运行本快速入门。

如需在您自己的开发环境中完成本快速入门，请确保您的环境满足以下要求：

Python 3.9 及更高版本
安装用于运行笔记本的 jupyter。

设置

首先，下载并安装 Gemini API Python 库。

pip install -U -q google.generativeai

import re
import tqdm
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns

import google.generativeai as genai

# Used to securely store your API key
from google.colab import userdata

from sklearn.datasets import fetch_20newsgroups
from sklearn.manifold import TSNE
from sklearn.cluster import KMeans
from sklearn.metrics import confusion_matrix, ConfusionMatrixDisplay

获取 API 密钥

您必须先获取 API 密钥，然后才能使用 Gemini API。如果您还没有密钥，只需在 Google AI Studio 中点击一下即可创建一个。

获取 API 密钥

在 Colab 中，将密钥添加到 Secret 管理器中的“🔑?”下，。将其命名为 API_KEY。

获得 API 密钥后，将其传递给 SDK。可以通过以下两种方法实现此目的：

将密钥放在 GOOGLE_API_KEY 环境变量中（SDK 会自动从中选取密钥）。
将密钥传递给 genai.configure(api_key=...)

。

genai.configure(api_key=GOOGLE_API_KEY)

for m in genai.list_models():
  if 'embedContent' in m.supported_generation_methods:
    print(m.name)

models/embedding-001
models/embedding-001

数据集

20 Newsgroups Text Dataset（20 Newsgroups 文本数据集）包含 18,000 个新闻组帖子，涵盖 20 个主题（分为训练集和测试集）。训练数据集和测试数据集之间的拆分依据在特定日期之前和之后发布的消息。在本教程中，您将使用训练子集。

newsgroups_train = fetch_20newsgroups(subset='train')

# View list of class names for dataset
newsgroups_train.target_names

['alt.atheism',
 'comp.graphics',
 'comp.os.ms-windows.misc',
 'comp.sys.ibm.pc.hardware',
 'comp.sys.mac.hardware',
 'comp.windows.x',
 'misc.forsale',
 'rec.autos',
 'rec.motorcycles',
 'rec.sport.baseball',
 'rec.sport.hockey',
 'sci.crypt',
 'sci.electronics',
 'sci.med',
 'sci.space',
 'soc.religion.christian',
 'talk.politics.guns',
 'talk.politics.mideast',
 'talk.politics.misc',
 'talk.religion.misc']

这是训练集中的第一个样本。

idx = newsgroups_train.data[0].index('Lines')
print(newsgroups_train.data[0][idx:])

Lines: 15

 I was wondering if anyone out there could enlighten me on this car I saw
the other day. It was a 2-door sports car, looked to be from the late 60s/
early 70s. It was called a Bricklin. The doors were really small. In addition,
the front bumper was separate from the rest of the body. This is 
all I know. If anyone can tellme a model name, engine specs, years
of production, where this car is made, history, or whatever info you
have on this funky looking car, please e-mail.

Thanks,

- IL
   ---- brought to you by your neighborhood Lerxst ----

# Apply functions to remove names, emails, and extraneous words from data points in newsgroups.data
newsgroups_train.data = [re.sub(r'[\w\.-]+@[\w\.-]+', '', d) for d in newsgroups_train.data] # Remove email
newsgroups_train.data = [re.sub(r"\([^()]*\)", "", d) for d in newsgroups_train.data] # Remove names
newsgroups_train.data = [d.replace("From: ", "") for d in newsgroups_train.data] # Remove "From: "
newsgroups_train.data = [d.replace("\nSubject: ", "") for d in newsgroups_train.data] # Remove "\nSubject: "

# Put training points into a dataframe
df_train = pd.DataFrame(newsgroups_train.data, columns=['Text'])
df_train['Label'] = newsgroups_train.target
# Match label to target name index
df_train['Class Name'] = df_train['Label'].map(newsgroups_train.target_names.__getitem__)
# Retain text samples that can be used in the gecko model.
df_train = df_train[df_train['Text'].str.len() < 10000]

df_train

接下来，您将通过获取训练数据集中的 100 个数据点并删除一些类别来对本教程中的部分数据进行采样。选择要比较的科学类别。

# Take a sample of each label category from df_train
SAMPLE_SIZE = 150
df_train = (df_train.groupby('Label', as_index = False)
                    .apply(lambda x: x.sample(SAMPLE_SIZE))
                    .reset_index(drop=True))

# Choose categories about science
df_train = df_train[df_train['Class Name'].str.contains('sci')]

# Reset the index
df_train = df_train.reset_index()
df_train

df_train['Class Name'].value_counts()

sci.crypt          150
sci.electronics    150
sci.med            150
sci.space          150
Name: Class Name, dtype: int64

创建嵌入

在本部分中，您将了解如何使用 Gemini API 中的嵌入为 DataFrame 中的不同文本生成嵌入。

对使用模型嵌入进行嵌入的 API 变更 001

对于新的嵌入模型 embedding-001，有一个新的任务类型参数和可选标题（仅在 task_type=RETRIEVAL_DOCUMENT 时有效）。

这些新参数仅适用于最新的嵌入模型。任务类型如下：

任务类型	说明
RETRIEVAL_QUERY	将给定文本指定为搜索/检索设置中的查询。
RETRIEVAL_DOCUMENT	将给定文本指定为搜索/检索设置中的文档。
SEMANTIC_SIMILARITY	指定给定文本用于语义文本相似度 (STS)。
分类	指定嵌入用于分类。
集群	指定嵌入用于聚类。

from tqdm.auto import tqdm
tqdm.pandas()

from google.api_core import retry

def make_embed_text_fn(model):

  @retry.Retry(timeout=300.0)
  def embed_fn(text: str) -> list[float]:
    # Set the task_type to CLUSTERING.
    embedding = genai.embed_content(model=model,
                                    content=text,
                                    task_type="clustering")
    return embedding["embedding"]

  return embed_fn

def create_embeddings(df):
  model = 'models/embedding-001'
  df['Embeddings'] = df['Text'].progress_apply(make_embed_text_fn(model))
  return df

df_train = create_embeddings(df_train)

0%|          | 0/600 [00:00<?, ?it/s]

降维

文档嵌入向量的长度为 768。为了直观呈现嵌入的文档是如何分组的，您需要应用降维，因为您只能在 2D 或 3D 空间中可视化嵌入。上下文相似的文档应在空间中彼此靠近，而不是不相似的文档。

len(df_train['Embeddings'][0])

# Convert df_train['Embeddings'] Pandas series to a np.array of float32
X = np.array(df_train['Embeddings'].to_list(), dtype=np.float32)
X.shape

(600, 768)

您将应用 t 分布随机相邻嵌入 (t-SNE) 方法来减少降维。此方法会减少维度数量，同时保留聚类（相近的点始终相距不远）。对于原始数据，模型会尝试构建一种分布，使其他数据点成为“相邻”数据点（例如，两者含义相似）。然后，它会优化目标函数，以在可视化图表中保持类似的分布。

tsne = TSNE(random_state=0, n_iter=1000)
tsne_results = tsne.fit_transform(X)

df_tsne = pd.DataFrame(tsne_results, columns=['TSNE1', 'TSNE2'])
df_tsne['Class Name'] = df_train['Class Name'] # Add labels column from df_train to df_tsne
df_tsne

fig, ax = plt.subplots(figsize=(8,6)) # Set figsize
sns.set_style('darkgrid', {"grid.color": ".6", "grid.linestyle": ":"})
sns.scatterplot(data=df_tsne, x='TSNE1', y='TSNE2', hue='Class Name', palette='hls')
sns.move_legend(ax, "upper left", bbox_to_anchor=(1, 1))
plt.title('Scatter plot of news using t-SNE');
plt.xlabel('TSNE1');
plt.ylabel('TSNE2');
plt.axis('equal')

(-46.191162300109866,
 53.521015357971194,
 -39.96646995544434,
 37.282975387573245)

png

将结果与 KMeans 进行比较

KMeans 聚类是一种热门的聚类算法，通常用于非监督式学习。它以迭代方式确定最佳的 k 中心点，并将每个样本分配到最近的形心。将嵌入直接输入到 KMeans 算法中，可将嵌入的可视化与机器学习算法的性能进行比较。

# Apply KMeans
kmeans_model = KMeans(n_clusters=4, random_state=1, n_init='auto').fit(X)
labels = kmeans_model.fit_predict(X)

df_tsne['Cluster'] = labels
df_tsne

fig, ax = plt.subplots(figsize=(8,6)) # Set figsize
sns.set_style('darkgrid', {"grid.color": ".6", "grid.linestyle": ":"})
sns.scatterplot(data=df_tsne, x='TSNE1', y='TSNE2', hue='Cluster', palette='magma')
sns.move_legend(ax, "upper left", bbox_to_anchor=(1, 1))
plt.title('Scatter plot of news using KMeans Clustering');
plt.xlabel('TSNE1');
plt.ylabel('TSNE2');
plt.axis('equal')

(-46.191162300109866,
 53.521015357971194,
 -39.96646995544434,
 37.282975387573245)

png

def get_majority_cluster_per_group(df_tsne_cluster, class_names):
  class_clusters = dict()
  for c in class_names:
    # Get rows of dataframe that are equal to c
    rows = df_tsne_cluster.loc[df_tsne_cluster['Class Name'] == c]
    # Get majority value in Cluster column of the rows selected
    cluster = rows.Cluster.mode().values[0]
    # Populate mapping dictionary
    class_clusters[c] = cluster
  return class_clusters

classes = df_tsne['Class Name'].unique()
class_clusters = get_majority_cluster_per_group(df_tsne, classes)
class_clusters

{'sci.crypt': 1, 'sci.electronics': 3, 'sci.med': 2, 'sci.space': 0}

获取每个群组的大多数集群，并查看该集群中实际有多少成员。

# Convert the Cluster column to use the class name
class_by_id = {v: k for k, v in class_clusters.items()}
df_tsne['Predicted'] = df_tsne['Cluster'].map(class_by_id.__getitem__)

# Filter to the correctly matched rows
correct = df_tsne[df_tsne['Class Name'] == df_tsne['Predicted']]

# Summarise, as a percentage
acc = correct['Class Name'].value_counts() / SAMPLE_SIZE
acc

sci.space          0.966667
sci.med            0.960000
sci.electronics    0.953333
sci.crypt          0.926667
Name: Class Name, dtype: float64

# Get predicted values by name
df_tsne['Predicted'] = ''
for idx, rows in df_tsne.iterrows():
  cluster = rows['Cluster']
  # Get key from mapping based on cluster value
  key = list(class_clusters.keys())[list(class_clusters.values()).index(cluster)]
  df_tsne.at[idx, 'Predicted'] = key

df_tsne

为了更好地直观呈现应用于数据的 KMeans 的表现，您可以使用混淆矩阵。通过混淆矩阵，您可以评估分类模型的性能，而不仅仅是准确率。您可以查看分类错误的积分会被归为哪些类别。您将需要在上面的 DataFrame 中收集的实际值和预测值。

cm = confusion_matrix(df_tsne['Class Name'].to_list(), df_tsne['Predicted'].to_list())
disp = ConfusionMatrixDisplay(confusion_matrix=cm,
                              display_labels=classes)
disp.plot(xticks_rotation='vertical')
plt.title('Confusion Matrix for Actual and Clustered Newsgroups');
plt.grid(False)

png

后续步骤

现在，您已经使用聚类创建了自己的嵌入可视化！尝试使用您自己的文本数据将它们可视化为嵌入。您可以执行降维以完成可视化步骤。请注意，TSNE 擅长给输入聚类，但可能需要较长的时间才能收敛，或者可能会卡在局部最小值。如果您遇到此问题，可以考虑的另一种方法是主成分分析 (PCA)。

除了 KMeans 之外，还有其他聚类算法，例如基于密度的空间聚类 (DBSCAN)。

如需详细了解如何使用嵌入，请参阅以下教程：