Как Google создает семантические векторы (эмбеддинги) для понимания смысла целых документов (Doc2Vec)

Термины и определения

Vector Representation (Векторное представление / Эмбеддинг)

Плотный числовой вектор, который представляет семантическое значение единицы текста. В патенте упоминаются Word Representations (для слов) и Document Representation (для документов).

Neural Network System (Нейросетевая система)

Модель машинного обучения, используемая для обучения и генерации векторных представлений.

Embedding Layer (Слой эмбеддингов)

Слой нейронной сети, который преобразует входные данные (идентификаторы слов и документов) в их соответствующие векторные представления.

Combining Layer (Комбинирующий слой)

Слой, который объединяет Document Representation и Word Representations в единое представление (Combined Representation). Методы объединения включают конкатенацию (concatenation) или усреднение (averaging).

Classifier Layer (Слой классификатора)

Выходной слой сети, который принимает Combined Representation и генерирует Word Scores.

Word Scores (Оценки слов)

Выходные данные сети, представляющие предсказанную вероятность (predicted likelihood) того, что конкретное слово является следующим в данной последовательности.

Gradient Descent (Градиентный спуск)

Алгоритм оптимизации, используемый для итеративной корректировки параметров сети (векторов и весов) с целью минимизации ошибки предсказания.

Backpropagation (Обратное распространение ошибки)

Метод, используемый во время градиентного спуска для вычисления градиента, необходимого для обновления параметров.

Document ID (Идентификатор документа)

Уникальный идентификатор, используемый для доступа к вектору конкретного документа в Embedding Layer.

Ключевые утверждения (Анализ Claims)

Патент содержит два основных независимых пункта, описывающих два разных процесса: вывод вектора для нового документа (Inference) и обучение самой системы (Training).

Claim 1 (Независимый пункт) - Процесс вывода (Inference): Описывает метод получения векторного представления для нового документа с использованием уже обученной нейросетевой системы.

1. Система получает новый документ, состоящий из последовательностей слов.
2. Используется обученная (trained) нейросетевая система. Эта система была обучена принимать на вход документ и последовательность слов из него и предсказывать вероятность следующего слова (Word Score).
3. Определение векторного представления для нового документа происходит путем итеративной подачи последовательностей слов из нового документа в обученную систему для определения вектора документа с использованием Gradient Descent.

Ключевой аспект здесь — использование обученной системы для нахождения вектора нового документа. Как указано в зависимом Claim 4, значения параметров обученной сети (векторы слов и веса классификатора) остаются фиксированными. Gradient Descent применяется итеративно только для корректировки вектора нового документа.

Claim 10 (Независимый пункт) - Процесс обучения (Training): Описывает метод обучения самой нейросетевой системы.

1. Система получает множество обучающих документов.
2. Нейросетевая система обучается на этих документах с использованием Gradient Descent и Backpropagation.
3. Система сконфигурирована так, чтобы принимать данные, идентифицирующие входной документ, и последовательность слов для генерации оценок следующего слова (Word Scores).
4. Обучение включает выполнение итераций Gradient Descent для каждой последовательности слов в каждом обучающем документе.

Этот процесс описывает первоначальное обучение модели, в ходе которого одновременно изучаются (корректируются) все параметры системы: векторы слов, векторы обучающих документов и параметры классификатора (как указано в Claims 13 и 14).

Где и как применяется

Изобретение является фундаментальной технологией обработки естественного языка и применяется на ключевых этапах работы поисковой системы.

INDEXING – Индексирование и извлечение признаков
Это основной этап применения технологии. При обработке контента поисковая система использует модели, основанные на этом принципе (Doc2Vec или более современные аналоги), для генерации семантических эмбеддингов (Document Representation) страниц, параграфов или фрагментов текста. Этот процесс соответствует фазе Inference (Claim 1). Эти эмбеддинги сохраняются в индексе как ключевые признаки, отражающие смысл контента.

RANKING – Ранжирование (Особенно L1 Retrieval)
Документные эмбеддинги критически важны для семантического поиска (Neural Matching). На этапе отбора кандидатов (L1) система может быстро находить документы, чьи эмбеддинги семантически близки к эмбеддингу запроса, даже если ключевые слова не совпадают.

QUNDERSTANDING – Понимание Запросов
Хотя патент фокусируется на документах, описанный метод также применим для генерации векторных представлений коротких текстов, таких как поисковые запросы, что улучшает понимание интента пользователя.

Входные данные:

• Необработанный текст документа (Input Document).
• Последовательности слов (Word Sequence) из этого документа.
• Идентификатор документа (Document ID).

Выходные данные:

• Плотный числовой вектор фиксированной длины (Document Representation), представляющий семантику документа.

На что влияет

• Типы контента: Влияет на все типы текстового контента. Технология позволяет понимать контекст и смысл как длинных статей (лонгридов), так и коротких фрагментов (абзацев, предложений).
• Специфические запросы: Оказывает наибольшее влияние на информационные, неоднозначные и сложные запросы, где намерение пользователя не выражено явными ключевыми словами. Это основа семантического поиска.
• Ниши и тематики: Влияет на все ниши, позволяя системе глубже понимать предметную область и отличать экспертный контент от поверхностного.

Когда применяется

• Обучение модели (Training): Происходит офлайн, периодически, на огромных массивах данных для создания базовой модели понимания языка (Claim 10).
• Генерация векторов (Inference): Происходит каждый раз, когда новый документ сканируется и индексируется, или когда существующий документ обновляется. Система генерирует его семантический вектор для сохранения в индексе (Claim 1).

Пошаговый алгоритм

Алгоритм состоит из двух отдельных процессов: Обучение модели и Вывод (Inference) вектора для нового документа.

Процесс А: Обучение модели (Training)

Цель: Изучить параметры сети, векторы слов и векторы тренировочных документов.

1. Инициализация: Присвоение случайных начальных значений параметрам нейронной сети (векторам слов, векторам обучающих документов, весам классификатора).
2. Итеративное обучение: Циклическая обработка обучающих документов и извлечение из них последовательностей слов фиксированной длины.
3. Получение эмбеддингов: Для текущей последовательности слов и документа их идентификаторы преобразуются в текущие векторные представления с помощью Embedding Layer.
4. Комбинирование: Combining Layer объединяет полученные векторы слов и вектор документа (например, путем конкатенации или усреднения) в Combined Representation.
5. Предсказание: Classifier Layer обрабатывает комбинированное представление для генерации Word Scores (вероятностей следующего слова).
6. Расчет ошибки и градиента: Вычисляется ошибка между предсказанными оценками и фактическим следующим словом в документе, затем вычисляется градиент ошибки.
7. Оптимизация: Используются Gradient Descent и Backpropagation для обновления всех параметров системы (векторов слов, векторов документов и весов классификатора) с целью минимизации ошибки.

Процесс Б: Генерация вектора для нового документа (Inference)

Цель: Найти оптимальный вектор для нового документа, используя обученную модель.

1. Инициализация и Фиксация: Инициализируется случайный вектор для нового документа. Параметры обученной модели (векторы слов и веса классификатора) фиксируются (замораживаются).
2. Итеративный вывод: Циклическая обработка последовательностей слов из нового документа.
3. Получение эмбеддингов: Слова преобразуются в их (обученные, фиксированные) векторы. Документ преобразуется в его текущий (итеративно обновляемый) вектор.
4. Комбинирование и Предсказание: Векторы комбинируются, и система предсказывает следующее слово.
5. Расчет ошибки и градиента: Вычисляется ошибка предсказания и градиент.
6. Оптимизация (Только вектор документа): Используются Gradient Descent и Backpropagation для обновления только вектора нового документа. Остальные параметры модели остаются неизменными.
7. Финализация: После завершения итераций итоговый оптимизированный вектор используется как Document Representation нового документа.

Какие данные и как использует

Данные на входе

Патент фокусируется исключительно на обработке текста и не упоминает традиционные SEO-факторы (ссылки, поведение пользователей и т.д.).

• Контентные факторы: Основные входные данные — это необработанные последовательности слов в документе. Порядок слов и их близость друг к другу являются критически важными, так как модель обучается предсказывать следующее слово на основе контекста.
• Технические факторы: Используется Document ID для идентификации документа.

Патент подчеркивает, что обучение может проводиться на неразмеченных данных (unlabeled training documents).

Какие метрики используются и как они считаются

Патент описывает архитектуру нейронной сети и методы ее оптимизации:

• Архитектура модели: Используется многослойная нейронная сеть, включающая Embedding Layer, Combining Layer и Classifier Layer.
• Методы анализа текста (NLP): Используется принцип дистрибутивной семантики — генерация плотных векторных представлений (эмбеддингов).
• Алгоритмы машинного обучения: Обучение и вывод основаны на методах оптимизации Gradient Descent и Backpropagation.
• Целевая функция: Цель оптимизации — максимизировать предсказанную вероятность (Word Score) фактически следующего слова в последовательности.
• Методы комбинирования: Упоминаются конкатенация (concatenation) и усреднение (averaging) векторов на Combining Layer.

1. Фундамент семантического понимания (Doc2Vec): Патент описывает технологию (Doc2Vec), которая позволяет перейти от поверхностного сопоставления ключевых слов к глубокому пониманию смысла контента. Документы преобразуются в семантические векторы.
2. Контекст всего документа: Ключевая инновация заключается в том, что вектор документа используется как глобальный контекст или "память" при интерпретации слов внутри него. Это позволяет уловить общую тематику и нюансы смысла.
3. Семантическая близость: Сгенерированные векторные представления обладают свойством семантической близости: документы с похожим смыслом или тематикой будут иметь близкие векторы в векторном пространстве. Это основа для работы алгоритмов Neural Matching.
4. Масштабируемость и Неконтролируемое обучение: Метод является неконтролируемым (unsupervised learning), то есть не требует предварительно размеченных данных для обучения. Это позволяет обучать модель на огромных объемах неструктурированного текста.
5. Двухэтапный процесс: Четко разделены процесс обучения базовой модели (Training) и процесс генерации вектора для нового документа (Inference), что позволяет системе эффективно обрабатывать новый контент без необходимости полного переобучения модели.

Best practices (это мы делаем)

• Фокус на семантической связности и логике изложения: Порядок слов и структура предложений имеют значение. Контент должен быть логичным, связным и хорошо структурированным. Это помогает системе сформировать четкий семантический вектор документа.
• Тематическая глубина и полнота (Topical Depth): Создавайте контент, который всесторонне раскрывает тему. Чем полнее и глубже проработан материал, тем более качественным и семантически богатым будет его Vector Representation.
• Оптимизация под темы, а не ключевые слова: Сосредоточьтесь на создании лучшего контента по теме, используя естественный язык, синонимы и релевантные термины (сущности). Система понимает смысл через эмбеддинги, а не через плотность ключевых слов.
• Четкая тематическая направленность страницы (Coherence): Убедитесь, что страница посвящена одной основной теме. Смешивание несвязанных тем на одной странице может привести к формированию "размытого" семантического вектора, усложняя классификацию и ранжирование.

Worst practices (это делать не надо)

• Keyword Stuffing (Переспам): Насыщение текста ключевыми словами нарушает естественную структуру языка и ухудшает качество контекста, что негативно влияет на формирование эмбеддинга.
• Бессвязный или автоматически сгенерированный контент: Тексты, лишенные логики и семантической связи между предложениями, будут плохо интерпретированы моделью, так как задача предсказания следующего слова на таком контенте дает слабые результаты.
• Игнорирование порядка слов и структуры: Отношение к тексту как к простому "мешку слов" (Bag-of-Words) противоречит принципам работы этой технологии, которая явно учитывает последовательность слов.
• Фокус только на Exact Match Keywords: Попытки оптимизации исключительно под точное вхождение ключевых фраз неэффективны, так как система ищет семантическое соответствие через векторы.

Стратегическое значение

Этот патент подтверждает стратегический приоритет Google на понимание естественного языка и семантический поиск. Для SEO это означает, что долгосрочная стратегия должна быть направлена на построение тематического авторитета (Topical Authority) и создание контента, который демонстрирует глубокое понимание предметной области. Технологии, основанные на векторных представлениях, позволяют Google оценивать релевантность и качество контента на уровне смысла, делая многие традиционные SEO-тактики устаревшими.

Практические примеры

Сценарий: Оптимизация статьи для семантического соответствия

Задача: Улучшить Document Vector Representation статьи о пользе авокадо.

Плохая практика (Фокус на ключевых словах):
Текст: "Польза авокадо велика. Авокадо полезно для здоровья. Если вы ищете пользу авокадо, ешьте авокадо каждый день. Авокадо содержит жиры."
Проблема: Текст неестественный, повторяющийся. Модели будет сложно предсказывать слова из-за искусственной структуры. Вектор будет сильно смещен в сторону точного термина "авокадо", но слабо отражать связанные концепции.

Хорошая практика (Фокус на семантике и согласованности):
Текст: "Авокадо является источником полезных мононенасыщенных жиров, которые поддерживают здоровье сердца. Этот фрукт также богат калием и клетчаткой, способствуя нормализации пищеварения. Включение его в рацион может помочь контролировать уровень холестерина."
Преимущество: Текст тематически согласован и семантически богат. Модель видит термины ("мононенасыщенные жиры", "калий", "клетчатка", "холестерин") в естественном контексте. Document Vector будет точно отражать тему "здоровье, питание, авокадо", что улучшит его релевантность по широкому спектру запросов.