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📚 语言学 13 · 计算语言学 · 点击跳转

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计算语言学
Computational
Linguistics让计算机读懂人类的语言

🐱 巧手猫 · 编程视角

从"沙子到 AI"之后,巧手猫戴上圆框眼镜,拿起键盘——这一册用计算的眼光重新看语言:分词、句法树、词向量、大模型,背后都是数学与代码。

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让计算机处理语言

👀 读 · 理解

分词、词性、句法分析、语义——把句子"拆"成机器能算的结构。

🧠 学 · 推理

统计、向量、神经网络、大模型——从数据里"学"语言规律。

🗣 说 · 生成

翻译、问答、对话、语音合成——让机器"说"人话。

NLP 流水线:切词 → 建模 → 生成

💡 核心问题:语言是离散、歧义、开放的,而计算机只会算数字与概率。计算语言学就是这座桥。

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计算语言学 = NLP

定义

研究如何让计算机理解、生成、翻译人类语言(文本与语音)的学科。

CL(Computational Linguistics)偏理论/语言学侧;NLP(Natural Language Processing)偏工程/AI侧。今天两者几乎同义。

与理论语言学的关系

理论语言学问"语言是什么";计算语言学问"如何用算法把它算出来"。

句法树→自动分析;语义→向量表示;语用→对话系统。前面 12 册的知识,在这里被"代码化"。

💡 你手机里的输入法联想、翻译、Siri、搜索、字幕——都是计算语言学的产物。

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语言难,难在歧义

一词多义 (Lexical)

"苹果"是水果还是公司?"bank"是银行还是河岸?机器要靠上下文判断。

结构歧义 (Structural)

"我看到那个拿望远镜的女孩"——是"用望远镜看",还是"女孩拿着望远镜"?两种句法树。

I saw the girl with the telescope解读A:我用望远镜看她→ saw [the girl] [with telescope]解读B:那个(拿望远镜的)女孩→ saw [the girl with telescope]

💡 还有指代("它"指谁)、省略("去不去?""去。")、讽刺——人凭常识秒懂,机器却要"算"。

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规则 → 统计 → 神经

① 符号/规则派

1950s–1980s

手写语法规则、专家系统。

❌ 规则写不完,覆盖不了真实语言。

② 统计派

1990s–2010s

从语料里数概率:N-gram、HMM、IBM 翻译模型。

✅ 靠数据,不靠人写规则。

③ 神经/表示派

2013–至今

词向量→RNN→Transformer→大模型。

✅ 机器自己学"表示",能力飞跃。

三次浪潮:规则 → 统计 → 神经

💡 每一次浪潮都不是"推翻",而是叠加:今天的系统仍用规则做预处理、用统计做评测、用神经网络做主力。

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第一步:把句子切成词

英文:按空格

I love NLP → ["I","love","NLP"]

简单,但要处理标点、缩写(don't)、大小写。

中文:没有空格!

"研究生命的起源" → 研究/生命/的/起源 ?还是 研究/生命/起源?

需要分词算法(词典+统计),切错意思全错。

BPE 子词分词(大模型常用)

不按"词"也不按"字",而按高频子串切:"playing"→"play"+"ing"。既覆盖生词,又控制词表大小。GPT 等模型都用这类方法。

💡 生活:搜索引擎把"清华大学"当一个词,但"清华大学"也能搜到——背后就是分词。

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给每个词贴标签

标注什么

名词(N)、动词(V)、形容词、介词……

"我/V 爱/V 苹果/N"

同一个词在不同句子里词性不同:"钱"(V) vs "一朵"(N)。

怎么标:HMM 直觉

隐马尔可夫模型:看"当前词"和"上一个标签"的概率。

"the" 后面大概率是名词/形容词;"to" 后面大概率是动词。用转移概率+发射概率求最可能的标签序列。

💡 词性标注是很多任务的底层零件:句法分析、信息抽取、搜索引擎都依赖它。

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画出句法树

成分句法 (Constituency)

CFG(上下文无关文法)把句子层层分解:S→NP+VP,VP→V+NP……像括号套括号。

依存句法 (Dependency)

画词与词的支配关系:主谓、动宾、修饰。每个词指向它的"头"。更贴近语义。

ThecatsleepsNPVP→VS = NP + VP成分树:层层组合

💡 句法树用于机器翻译、问答、语法检查。"The cat sleeps" 和 "猫 睡觉" 的树对齐了,才能翻译。

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统计语言模型:猜下一个词

核心思想

用历史预测未来:P(wₙ | w₁…wₙ₋₁)

Bigram(看前1词):P("你"|)的概率。

"今天天气" 后面,"很好"的概率远高于"香蕉"。

链式规则 & 简化

整句概率 = 各词条件概率连乘。但历史太长算不动,于是马尔可夫假设:只看前 N−1 个词。

这就是 N-gram。简单、有效,但"记性"短。

💡 生活:手机输入法打"今天",立刻联想"天气/星期/几号"——背后就是 N-gram(或它的升级版)在算下一个词的概率。

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把词变成坐标

分布式假设

"知道一个词的伙伴,就懂了这个词。"

意义相近的词,上下文相似→ 可以用一个向量(一串数)表示,相似词的向量靠得近。

Word2vec 的魔法

经典类比:国王 − 男人 + 女人 ≈ 女王

向量做加减竟对应语义关系!方向编码了"性别""时态""首都"等维度。

国王女王男人女人平行向量 = 相同的"性别"方向

💡 词向量是现代 NLP 的基石:相似度搜索、推荐、分类、大模型,都从"把词变坐标"开始。

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两个词有多像

余弦相似度

把两个词向量当箭头,算它们夹角的余弦。方向越一致,语义越近。不关心长短,只关心方向。

PMI 点互信息

衡量两个词"是否经常一起出现,超出偶然的程度。

PMI 高 = 强相关(如"咖啡""杯");PMI≈0 = 无关。是词向量最早的原理之一。

💡 生活:淘宝搜"手机"会带出"壳/膜/充电器"——就是相似度与共现关系在起作用。

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这条评论是好评还是差评

朴素贝叶斯

用词的概率猜类别:评论里"难吃/差/坑"多 → 差评;"好吃/赞/推荐"多 → 好评。

"朴素"= 假设词与词独立(虽不真,但管用)。

逻辑回归 & 神经网络

给每个词学一个权重("棒"→+2,"烂"→−3),加权求和判断类别。

升级版用神经网络自动学特征,准确率更高。

💡 应用:垃圾邮件过滤、新闻分类、客服意图识别、医患评论分析——都是文本分类

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从句子里挖实体

命名实体识别 NER

自动标出人名、地名、机构、时间、金额

"2024年 苹果 在 库克 带领下…" → 时间/机构/人名。

CRF 条件随机场

比 HMM 更强的序列标注模型:不只看局部,还考虑整条标签序列的全局最优。

"南京/市长"还是"南京市长"?全局约束能避免切错。

命名实体识别:自动标出人/地/时/金

💡 NER 是信息抽取的基础:知识图谱构建、智能问答、简历解析都靠它先把"谁/哪/何时"认出来。

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让机器自己学表示

从 one-hot 到向量

早期用 one-hot(一个词一万个维度、只有一个 1)——稀疏、无相似度。

换成稠密词向量后,神经网络能基于"近义"做推理。

前馈 → 序列

普通神经网络处理固定长度输入;但句子长短不一、有顺序。

于是有了 RNN/LSTM:一步步读,记住上文。

💡 神经网络的本质:用反向传播不断调整参数,让"猜错"越来越少——和背单词练听力的过程很像。

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能"记住上文"的网络

RNN 循环神经网络

每读一个词,更新一个隐藏状态(记忆),传给下一步。

❌ 长句子里,早期信息会被"冲淡"——梯度消失,记不住远处。

LSTM 长短期记忆

加了门控(遗忘门/输入门/输出门):像闸门决定记什么、忘什么。

能跨越几十步记住关键信息,曾是翻译/语音的主力。

💡 直觉:RNN 像只有"短期记忆"的人;LSTM 给它配了个笔记本(门控),重要的事记下来,琐碎的忘掉。

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不用循环,也能看清全局

自注意力 Self-Attention

每个词同时"看"句子里所有词,按相关度分配注意力,加权汇总。

""该指谁?注意力会自动把高权重给到上文最相关的名词。

Q / K / V 生活比喻

Query=你在图书馆想找什么;Key=每本书的标签;Value=书的内容。

用 Q 去匹配所有 K,越匹配的 V 权重越高——这就是注意力。

自注意力:每个词按相关度"看"所有词

💡 Transformer(2017) 用纯注意力替代循环,可并行、看得远——它是 GPT/BERT 等大模型的引擎

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从语料里涌现的能力

预训练 + 微调

预训练:让模型读海量文本,做"猜下一个词"——学会语言通识。

微调/指令对齐:再教它听指令、守价值观。

GPT vs BERT

GPT:从左到右,擅长生成(续写、对话)。

BERT:双向"完形填空",擅长理解(分类、问答)。

大模型:堆叠的 Transformer + 注意力

💡 参数到千亿级后,模型"涌现"出翻译/推理/写代码等能力——这些没人显式教过,是从语言规律里自学的。

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从"对齐"到"端到端"

统计翻译 SMT

拆成短语对齐、调序、语言模型三步,每步单独优化。精确但易碎。

神经翻译 NMT

编码器读懂源句→解码器生成译文,注意力做"对齐"。一个网络端到端,质量大跃升。

💡 评测用 BLEU:看机器译文和参考译文的 n-gram 重合度。重合越高分越高(但不等于"真好")。

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声音 ⇄ 文字

ASR 语音识别

声波→频谱→音素→词。

难点:口音、噪声、同音词("期中/其中")。用声学模型+语言模型联合解码。

TTS 语音合成

文字→自然语音。

从拼接录音到参数合成,再到端到端(如 Tacotron)——越来越像真人,能模仿音色情感。

💡 Siri/小爱/语音输入/字幕自动生成——都是 ASR+TTS 的组合拳。

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让机器回答你

问答 QA

抽取式(从文档里找答案句) / 生成式(大模型直接答)。检索+阅读理解是主流。

对话 Dialogue

任务型(订票/查天气) vs 开放闲聊。需维护"对话状态"、处理指代与省略。

搜索 IR

倒排索引+相关性打分。语义搜索用向量检索,能理解"近义词"和"意图"。

💡 大模型时代:问答/对话/搜索正在融合——RAG(检索增强生成)让模型先查资料再回答,减少"幻觉"。

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数据驱动:先有语料,才有模型

语料库 Corpus

大规模真实文本/语音集合。分生语料(原始)和标注语料(人工标了词性/实体/树)。

BNC、COCA、中文树库——是 NLP 的"实验原料"。

怎么评好不好

分类看准确率/召回率/F1;翻译看 BLEU;生成看人评或对齐指标

"测什么"和"怎么训"一样重要——否则会"刷分但不实用"。

💡 现代规则:没有大数据 + 好评测,就没有好模型。语言学家的标注规范,决定了机器能学到什么。

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技术越强,越要小心

偏见 Bias

语料里有什么偏见,模型就学什么(性别/种族/地域)。"护士→她,医生→他"会被放大。

幻觉 Hallucination

大模型会"一本正经地胡说"——生成看似可信却虚构的事实。关键岗位必须可溯源。

低资源语言

英语/中文数据多;很多小语种几乎没有语料。跨语言迁移、少样本学习是前沿。

隐私 & 滥用

深度伪造语音、批量造假文、隐私泄露——计算语言学也需要伦理与治理

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计算视角,照亮全部语言学

↔ 语音学 (01-02)

声学特征→音素识别,是 ASR 的物理基础。

↔ 句法/语义 (04-05)

CFG/依存树直接来自句法理论;向量语义是"分布语义"的实现。

↔ 语用 (06)

对话系统、指代消解、言语行为——语用学指导机器"听懂言外之意"。

↔ 心理/认知 (10-11)

人脑怎么处理语言?心理语言学的实验发现,常反过来启发模型设计。

💡 计算+理论是同一枚硬币的两面:能用算法跑通的理论,往往才是清晰、可检验的理论。

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机器的听·说·懂·写

🗣 说 TTS

把文字变成声音(语音合成)。

👂 听 ASR

把声音变成文字(语音识别)。

🧠 懂

句法+语义+语用分析。

✍ 生成

造出全新句子,而非调预存。

💡 Fromkin 第11章核心:计算机若要"产生新句子",光有词典不够,必须掌握语法规则——这正是接下来几页的主题。

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计算机怎么造句

模板法:莎士比亚辱骂机

三列词(形容词 / 复合形容词 / 名词),各随机取一个:

"you goatish, pox-marked bladder"

"you lumpish, milk-livered hedge-pig"

简单好玩,但只会套模板,不算"懂"语言

语法法:两种思路

自顶向下:从"句子(S)"出发,往下填 NP/VP → Det/N/V…

自底向上:从要表达的词出发,往上组合成句。

两种都靠语法规则保证句子合法。

💡 类比:自顶向下像填空(先有框架再填词);自底向上像拼乐高(先有零件再搭整体)。

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造句的"寻路图"

🐱 巧手猫解读

节点(圆圈)=状态;(箭头)=一个词类。

起点 S0 出发,每走一步按箭头标签挑一个具体词,走到终点就生成一句话。

🟥 路径① Det(the)→N(cat)→V(sleeps) = "the cat sleeps"

🟩 路径② 在 V 后再走 Det→N,就能加宾语 = "a dog sees the cat"

S0 S1 S2 Det N V the / a cat/dog sleeps 🟥 路径① = the cat sleeps 路径② 想加宾语?到 S2 后再走一段 Det→N: 🟩 a dog sees the cat(V 后接 NP 宾语)

💡 类比大富翁 / 蛇形棋:地图(语法)固定,每格对应一个词类,走子时挑词,到终点成句。这是 1970s 符号派解析与生成的经典模型(RTN / ATN 的基础)。

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把句子的意思画成图

Fromkin FIG 11.1

句子 "You put up the switch" 表示成主题角色网络

AGENT(You) —— ACTION(put up) —— THEME(the switch)

谁(施事)做了什么(动作)作用在谁(受事)上,一目了然。

两种表示

语义网络:节点+角色连线(直观图)。

谓词-论元(逻辑式):PUT UP(YOU, THE SWITCH)

早期 SHRDLU、Circuit Fix-It Shop 对话系统就用这类表示来"理解+回答"。

💡 语义网络回答"是什么意思",转移网络回答"句子怎么搭出来"——一个管语义,一个管句法。

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计算语言学
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从"规则"到"统计"再到"神经网络",人类花了 70 年,教机器学会了一件我们从出生就在做的事——用语言沟通。而这,正是计算语言学的全部浪漫。