トピックモデルとは？わかりやすく解説

トピックモデル（Topic model）は、統計学および自然言語処理において、文書集合に存在する抽象的な「トピック」を発見するための一種の統計モデルである。トピックモデリングは、テキスト集合に隠れた意味構造を発見するためのテキストマイニング手法として頻繁に用いられる。

直感的には、ある文書が特定のトピックに関するものであれば、関連する語が高頻度で現れると期待できる。たとえば「犬」と「骨」は犬に関する文書で多く現れ、「猫」と「ニャー」は猫に関する文書で多く現れ、「the」や「is」などはどちらの文書にも同程度に現れる。多くの文書は複数のトピックを異なる割合で含んでいる。たとえば、ある文書が猫に10%、犬に90%関連しているとすれば、犬に関連する語の方が約9倍多くなると予測される。トピックモデルによって得られる「トピック」とは、意味的に似た語のクラスタである。トピックモデルはこの直観を数学的枠組みで表現し、文書集合を解析して語の出現頻度に基づき、どのようなトピックがあるか、各文書にどのトピックがどの程度含まれるかを推定する。

トピックモデルは「確率的トピックモデル」とも呼ばれ、膨大なテキストから潜在的な意味構造を発見する統計的アルゴリズムである。情報の時代において、日常的に接する文書量は人間の処理能力を超えており、トピックモデルは未構造なテキスト集合を整理し、理解するための手段となる。もともとはテキストマイニングのために開発されたが、現在ではバイオインフォマティクス^[1]やコンピュータビジョン^[2]など、他分野にも応用されている。

歴史

初期のトピックモデルの1つは、パパディミトリウ、ラガヴァン、タマキ、ヴェンパラによって1998年に記述された^[3]。

もう一つのトピックモデルは、トーマス・ホフマンによって1999年に提案された確率的潜在意味解析（PLSA）である^[4]。

現在最も一般的に使用されているトピックモデルである潜在的ディリクレ配分法（LDA）は、PLSAを一般化したものである。LDAは2002年にデイヴィッド・ブレイ（英語版）、アンドリュー・ン、マイケル・I・ジョーダン（英語版）によって開発された。このモデルは、文書-トピックおよびトピック-単語分布に疎なディリクレ分布の事前分布を導入しており、「文書は少数のトピックをカバーし、トピックは限られた語彙で表現される」という直感を数理的に表現している^[5]。

その他のトピックモデルの多くは、LDAの拡張である。たとえば、パチンコ配分モデルは、LDAに加えてトピック間の相関もモデル化することで、表現力を高めている。

また、階層潜在木分析（Hierarchical Latent Tree Analysis, HLTA）は、LDAの代替手法であり、潜在変数の木構造を用いて単語の共起をモデル化する。潜在変数の状態は文書の「ソフトクラスタ」として解釈され、それらがトピックとして扱われる。

バイクラスタリングによる文書-単語行列のトピック検出プロセス。各列は文書に対応し、各行は単語に対応する。セルには文書中の単語の頻度が格納され、暗いセルは単語の頻度が高いことを示す。この手順は、類似の文書集合に出現する単語をグループ化するように、類似の単語を使用する文書をグループ化する。このような単語のグループはトピックと呼ばれる。LDAのような通常のトピックモデルは、より洗練された確率的メカニズムに基づいて文書をグループ化するだけである。

コンテキスト情報に対するトピックモデル

時間的情報に関するアプローチとして、ブロックとニューマンによる『ペンシルベニア・ガゼット』（1728年～1800年）のトピックの時間的変化の特定がある。グリフィスとステイバースは、『米国科学アカデミー紀要』誌の1991年から2001年までの要旨を用いて、人気が上昇または下降したトピックを識別するためにトピックモデルを使用した。一方、ランバとマドゥスーダンは、1981年から2018年までの DJLIT 誌から取得した全文研究記事にトピックモデリングを適用した。図書館情報学の分野では^[6]^[7]^[8]^[9]、インドのさまざまな情報源（学術論文や電子学位論文（ETDs））にトピックモデリングを適用している。

ネルソン^[10] は、『リッチモンド・タイムズ・ディスパッチ』誌における時間と共に変化するトピックを分析し、アメリカ南北戦争時代のリッチモンドにおける社会的・政治的変化および継続性を理解しようとしている。ヤン、トージェット、ミハルチャは、1829年から2008年の新聞にトピックモデリング手法を適用した。ミムノは、古典文献学と考古学に関する24の学術誌にわたる150年分のジャーナルを使ってトピックモデリングを行い、トピックが時間とともにどのように変化し、雑誌同士がどのように似たり異なったりしていくかを調べた。

インら^[11] は、文書の地理的位置を、推論中に検出される潜在的な地域によって説明する、地理的に分布した文書に対応するトピックモデルを提案した。

チャンとブレイ^[12] は、文書同士のリンク（ネットワーク）情報を取り込む関係トピックモデルを提案し、ウェブサイト間のリンクをモデル化した。

ローゼン＝ズヴィら^[13] による著者-トピックモデルは、文書の著者情報を利用して、トピック検出を改善するために、著者に関連付けられたトピックをモデル化する。

HLTAは、主要なAIおよび機械学習分野の学会に発表された最新の研究論文群に適用され、その結果得られたモデルはThe AI Treeと呼ばれている。このトピック群はaipano.cse.ust.hkにて文書を索引付けするために使われており、研究者が研究のトレンドを追跡し、読むべき論文を特定する手助けをする。また、学会やジャーナルの編集者が論文の査読者を特定するためにも役立っている。

コンピュータが抽出したトピック（クラスタ）が、人間の直感とどれだけ整合するかという「整合性スコア」の有効性を評価し、生成されたトピックの質や一貫性を向上させようとする研究も進められている^[14]^[15]。整合性スコアは、文書コーパスから抽出すべき最適なトピック数を決定するための指標でもある^[16]。

アルゴリズム

実際には、研究者は最大尤度に基づいた適合手法のいずれかを用いて、コーパスに適したモデルパラメータをフィッティングしようとする。ブレイによる調査では、これらのアルゴリズム群が紹介されている^[17]。

パパディミトリウらに始まるいくつかの研究グループは、理論的保証を持つアルゴリズムの設計を試みてきた^[3]。これは、データが実際にそのモデルによって生成されたと仮定し、元のモデルを高い確率で復元するアルゴリズムの設計を目指すものである。ここで用いられる手法には、特異値分解（SVD）やモーメント法がある。

2012年には、非負値行列因子分解（NMF）に基づいたアルゴリズムが導入され、トピック間の相関も扱えるトピックモデルへと一般化された^[18]。

2017年には、ニューラルネットワークを用いたトピックモデリングが登場し、推論処理を高速化することに成功した^[19]。さらに、弱教師あり学習へと拡張されたバージョンも登場している^[20]。

2018年には、トピックモデルに対する新たなアプローチが提案された。それは確率的ブロックモデル（英語版）に基づいており、トピックモデルをネットワークの観点から捉えるものである^[21]。

さらに近年では、大規模言語モデル（LLM）の登場により、トピックモデリングは文脈埋め込み^[22]やファインチューニングによっても強化されている^[23]。

応用

バイオメディカル分野

トピックモデルは、他の文脈でも使用されている。例えば、生物学およびバイオインフォマティクスの研究において、トピックモデルの利用が現れてきている。^[24] 最近では、がんのゲノムサンプルのデータセットから情報を抽出するために、トピックモデルが利用されている^[25]。この場合、トピックは推定すべき生物学的潜在変数である。

音楽や創造性の分析

トピックモデルは、音楽のような連続的な信号の分析にも使用できる。例えば、音楽スタイルが時間とともにどのように変化するかを定量化し、特定のアーティストが後の音楽創作に与えた影響を識別するために使用されている^[26]。

出典

^ Blei, David (April 2012). “Probabilistic Topic Models”. Communications of the ACM 55 (4): 77–84. doi:10.1145/2133806.2133826.
^ Cao, Liangliang, and Li Fei-Fei. "空間的に整合性のある潜在トピックモデルによる物体とシーンの同時セグメンテーションと分類", ICCV 2007.
^ ^a ^b Papadimitriou, Christos; Raghavan, Prabhakar; Tamaki, Hisao; Vempala, Santosh (1998). “Latent semantic indexing”. Proceedings of the seventeenth ACM SIGACT-SIGMOD-SIGART symposium on Principles of database systems - PODS '98. pp. 159–168. doi:10.1145/275487.275505. ISBN 978-0897919968. オリジナルの2013-05-09時点におけるアーカイブ。 2012年4月17日閲覧。
^ Hofmann, Thomas (1999). “Probabilistic Latent Semantic Indexing”. Proceedings of the Twenty-Second Annual International SIGIR Conference on Research and Development in Information Retrieval. オリジナルの2010-12-14時点におけるアーカイブ。.
^ Blei, David M.; Ng, Andrew Y.; Jordan, Michael I; Lafferty, John (January 2003). “Latent Dirichlet allocation”. Journal of Machine Learning Research 3: 993–1022. doi:10.1162/jmlr.2003.3.4-5.993.
^ Lamba, Manika jun (2019). “Mapping of topics in DESIDOC Journal of Library and Information Technology, India: a study”. Scientometrics 120 (2): 477–505. doi:10.1007/s11192-019-03137-5. ISSN 0138-9130.
^ Lamba, Manika jun (2019). “Metadata Tagging and Prediction Modeling: Case Study of DESIDOC Journal of Library and Information Technology (2008-2017)”. World Digital Libraries 12: 33–89. doi:10.18329/09757597/2019/12103. ISSN 0975-7597.
^ Lamba, Manika may (2019). “Author-Topic Modeling of DESIDOC Journal of Library and Information Technology (2008-2017), India”. Library Philosophy and Practice.
^ Lamba, Manika sep (2018). Metadata Tagging of Library and Information Science Theses: Shodhganga (2013-2017) (PDF). ETD2018:Beyond the boundaries of Rims and Oceans. 台湾・台北.
^ “Mining the Dispatch”. Mining the Dispatch. Digital Scholarship Lab, University of Richmond. 2021年3月26日閲覧。
^ Yin, Zhijun (2011). “Geographical topic discovery and comparison”. Proceedings of the 20th international conference on World wide web. pp. 247–256. doi:10.1145/1963405.1963443. ISBN 9781450306324
^ Chang, Jonathan (2009). “Relational Topic Models for Document Networks”. Aistats 9: 81–88.
^ Rosen-Zvi, Michal (2004). “The author-topic model for authors and documents”. Proceedings of the 20th Conference on Uncertainty in Artificial Intelligence: 487–494. arXiv:1207.4169.
^ Nikolenko, Sergey (2017). “Topic modelling for qualitative studies”. Journal of Information Science 43: 88–102. doi:10.1177/0165551515617393.
^ Reverter-Rambaldi, Marcel (2022). Topic Modelling in Spontaneous Speech Data (Honours thesis). Australian National University. doi:10.25911/M1YF-ZF55.
^ Newman, David (2010). “Automatic evaluation of topic coherence”. Human Language Technologies: The 2010 Annual Conference of the North American Chapter of the Association for Computational Linguistics: 100–108.
^ Blei, David M. (April 2012). “Introduction to Probabilistic Topic Models” (PDF). Comm. ACM 55 (4): 77–84. doi:10.1145/2133806.2133826.
^ Sanjeev Arora; Rong Ge; Ankur Moitra (April 2012). “Learning Topic Models—Going beyond SVD”. arXiv:1204.1956 [cs.LG].
^ Miao, Yishu; Grefenstette, Edward; Blunsom, Phil (2017). “Discovering Discrete Latent Topics with Neural Variational Inference” (英語). Proceedings of the 34th International Conference on Machine Learning (PMLR): 2410–2419. arXiv:1706.00359.
^ Xu, Weijie; Jiang, Xiaoyu; Sengamedu Hanumantha Rao, Srinivasan; Iannacci, Francis; Zhao, Jinjin (2023). “vONTSS: vMF based semi-supervised neural topic modeling with optimal transport”. Findings of the Association for Computational Linguistics: ACL 2023 (Stroudsburg, PA, USA: Association for Computational Linguistics): 4433–4457. arXiv:2307.01226. doi:10.18653/v1/2023.findings-acl.271.
^ Martin Gerlach; Tiago Pexioto; Eduardo Altmann (2018). “A network approach to topic models”. Science Advances 4 (7): eaaq1360. arXiv:1708.01677. Bibcode: 2018SciA....4.1360G. doi:10.1126/sciadv.aaq1360. PMC 6051742. PMID 30035215.
^ Bianchi, Federico; Terragni, Silvia; Hovy, Dirk (2021). “Pre-training is a Hot Topic: Contextualized Document Embeddings Improve Topic Coherence”. Proceedings of the 59th Annual Meeting of the Association for Computational Linguistics and the 11th International Joint Conference on Natural Language Processing (Volume 2: Short Papers). Stroudsburg, PA, USA: Association for Computational Linguistics. pp. 759–766. doi:10.18653/v1/2021.acl-short.96
^ Xu, Weijie; Hu, Wenxiang; Wu, Fanyou; Sengamedu, Srinivasan (2023). “DeTiME: Diffusion-Enhanced Topic Modeling using Encoder-decoder based LLM”. Findings of the Association for Computational Linguistics: EMNLP 2023 (Stroudsburg, PA, USA: Association for Computational Linguistics): 9040–9057. arXiv:2310.15296. doi:10.18653/v1/2023.findings-emnlp.606.
^ Liu, L.; Tang, L.; etal (2016). “An overview of topic modeling and its current applications in bioinformatics”. SpringerPlus 5 (1): 1608. doi:10.1186/s40064-016-3252-8. PMC 5028368. PMID 27652181.
^ Valle, F.; Osella, M.; Caselle, M. (2020). “A Topic Modeling Analysis of TCGA Breast and Lung Cancer Transcriptomic Data”. Cancers 12 (12): 3799. doi:10.3390/cancers12123799. PMC 7766023. PMID 33339347.
^ Shalit, Uri; Weinshall, Daphna; Chechik, Gal (2013-05-13). “Modeling Musical Influence with Topic Models” (英語). Proceedings of the 30th International Conference on Machine Learning (PMLR): 244–252.

参考文献

Steyvers, Mark; Griffiths, Tom (2007). “Probabilistic Topic Models”. In Landauer, T.; McNamara, D; Dennis, S. et al. (PDF). Handbook of Latent Semantic Analysis. Psychology Press. ISBN 978-0-8058-5418-3. オリジナルの2013-06-24時点におけるアーカイブ。3
Blei (2009年). “Topic Models”. 2025年5月23日閲覧。
Blei, D.; Lafferty, J. (2007). “A correlated topic model of Science”. Annals of Applied Statistics 1 (1): 17–35. arXiv:0708.3601. doi:10.1214/07-AOAS114.
Mimno, D. (April 2012). “Computational Historiography: Data Mining in a Century of Classics Journals”. Journal on Computing and Cultural Heritage 5 (1): 1–19. doi:10.1145/2160165.2160168.
Marwick, Ben (2013). “Discovery of Emergent Issues and Controversies in Anthropology Using Text Mining, Topic Modeling, and Social Network Analysis of Microblog Content”. In Yanchang, Zhao; Yonghua, Cen. Data Mining Applications with R. Elsevier. pp. 63–93. https://www.academia.edu/5508141
Jockers, M. 2010 Who's your DH Blog Mate: Match-Making the Day of DH Bloggers with Topic Modeling Matthew L. Jockers, posted 19 March 2010
Drouin, J. 2011 Foray Into Topic Modeling Ecclesiastical Proust Archive. posted 17 March 2011
Templeton, C. 2011 Topic Modeling in the Humanities: An Overview Maryland Institute for Technology in the Humanities Blog. posted 1 August 2011
Griffiths, T.; Steyvers, M. (2004). “Finding scientific topics”. Proceedings of the National Academy of Sciences 101 (Suppl 1): 5228–35. Bibcode: 2004PNAS..101.5228G. doi:10.1073/pnas.0307752101. PMC 387300. PMID 14872004.
Yang, T., A Torget and R. Mihalcea (2011) Topic Modeling on Historical Newspapers. Proceedings of the 5th ACL-HLT Workshop on Language Technology for Cultural Heritage, Social Sciences, and Humanities. The Association for Computational Linguistics, Madison, WI. pages 96–104.
Block, S. (January 2006). “Doing More with Digitization: An introduction to topic modeling of early American sources”. Common-place the Interactive Journal of Early American Life 6 (2).
Newman, D.; Block, S. (March 2006). “Probabilistic Topic Decomposition of an Eighteenth-Century Newspaper”. Journal of the American Society for Information Science and Technology 57 (5): 753–767. doi:10.1002/asi.20342.

[1] Blei, David (April 2012). “Probabilistic Topic Models”. Communications of the ACM 55 (4): 77–84. doi:10.1145/2133806.2133826.

[2] Cao, Liangliang, and Li Fei-Fei. "空間的に整合性のある潜在トピックモデルによる物体とシーンの同時セグメンテーションと分類", ICCV 2007.

[PRTV19987-3] Papadimitriou, Christos; Raghavan, Prabhakar; Tamaki, Hisao; Vempala, Santosh (1998). “Latent semantic indexing”. Proceedings of the seventeenth ACM SIGACT-SIGMOD-SIGART symposium on Principles of database systems - PODS '98. pp. 159–168. doi:10.1145/275487.275505. ISBN 978-0897919968. オリジナルの2013-05-09時点におけるアーカイブ。 2012年4月17日閲覧。

[hofmann19992-4] Hofmann, Thomas (1999). “Probabilistic Latent Semantic Indexing”. Proceedings of the Twenty-Second Annual International SIGIR Conference on Research and Development in Information Retrieval. オリジナルの2010-12-14時点におけるアーカイブ。.

[blei20033-5] Blei, David M.; Ng, Andrew Y.; Jordan, Michael I; Lafferty, John (January 2003). “Latent Dirichlet allocation”. Journal of Machine Learning Research 3: 993–1022. doi:10.1162/jmlr.2003.3.4-5.993.

[Lamba_2019_477–5052-6] Lamba, Manika jun (2019). “Mapping of topics in DESIDOC Journal of Library and Information Technology, India: a study”. Scientometrics 120 (2): 477–505. doi:10.1007/s11192-019-03137-5. ISSN 0138-9130.

[7] Lamba, Manika jun (2019). “Metadata Tagging and Prediction Modeling: Case Study of DESIDOC Journal of Library and Information Technology (2008-2017)”. World Digital Libraries 12: 33–89. doi:10.18329/09757597/2019/12103. ISSN 0975-7597.

[8] Lamba, Manika may (2019). “Author-Topic Modeling of DESIDOC Journal of Library and Information Technology (2008-2017), India”. Library Philosophy and Practice.

[9] Lamba, Manika sep (2018). Metadata Tagging of Library and Information Science Theses: Shodhganga (2013-2017) (PDF). ETD2018:Beyond the boundaries of Rims and Oceans. 台湾・台北.

[10] “Mining the Dispatch”. Mining the Dispatch. Digital Scholarship Lab, University of Richmond. 2021年3月26日閲覧。

[11] Yin, Zhijun (2011). “Geographical topic discovery and comparison”. Proceedings of the 20th international conference on World wide web. pp. 247–256. doi:10.1145/1963405.1963443. ISBN 9781450306324

[12] Chang, Jonathan (2009). “Relational Topic Models for Document Networks”. Aistats 9: 81–88.

[13] Rosen-Zvi, Michal (2004). “The author-topic model for authors and documents”. Proceedings of the 20th Conference on Uncertainty in Artificial Intelligence: 487–494. arXiv:1207.4169.

[14] Nikolenko, Sergey (2017). “Topic modelling for qualitative studies”. Journal of Information Science 43: 88–102. doi:10.1177/0165551515617393.

[15] Reverter-Rambaldi, Marcel (2022). Topic Modelling in Spontaneous Speech Data (Honours thesis). Australian National University. doi:10.25911/M1YF-ZF55.

[16] Newman, David (2010). “Automatic evaluation of topic coherence”. Human Language Technologies: The 2010 Annual Conference of the North American Chapter of the Association for Computational Linguistics: 100–108.

[blei2011-17] Blei, David M. (April 2012). “Introduction to Probabilistic Topic Models” (PDF). Comm. ACM 55 (4): 77–84. doi:10.1145/2133806.2133826.

[18] Sanjeev Arora; Rong Ge; Ankur Moitra (April 2012). “Learning Topic Models—Going beyond SVD”. arXiv:1204.1956 [cs.LG].

[19] Miao, Yishu; Grefenstette, Edward; Blunsom, Phil (2017). “Discovering Discrete Latent Topics with Neural Variational Inference” (英語). Proceedings of the 34th International Conference on Machine Learning (PMLR): 2410–2419. arXiv:1706.00359.

[20] Xu, Weijie; Jiang, Xiaoyu; Sengamedu Hanumantha Rao, Srinivasan; Iannacci, Francis; Zhao, Jinjin (2023). “vONTSS: vMF based semi-supervised neural topic modeling with optimal transport”. Findings of the Association for Computational Linguistics: ACL 2023 (Stroudsburg, PA, USA: Association for Computational Linguistics): 4433–4457. arXiv:2307.01226. doi:10.18653/v1/2023.findings-acl.271.

[gerlach20182-21] Martin Gerlach; Tiago Pexioto; Eduardo Altmann (2018). “A network approach to topic models”. Science Advances 4 (7): eaaq1360. arXiv:1708.01677. Bibcode: 2018SciA....4.1360G. doi:10.1126/sciadv.aaq1360. PMC 6051742. PMID 30035215.

[22] Bianchi, Federico; Terragni, Silvia; Hovy, Dirk (2021). “Pre-training is a Hot Topic: Contextualized Document Embeddings Improve Topic Coherence”. Proceedings of the 59th Annual Meeting of the Association for Computational Linguistics and the 11th International Joint Conference on Natural Language Processing (Volume 2: Short Papers). Stroudsburg, PA, USA: Association for Computational Linguistics. pp. 759–766. doi:10.18653/v1/2021.acl-short.96

[23] Xu, Weijie; Hu, Wenxiang; Wu, Fanyou; Sengamedu, Srinivasan (2023). “DeTiME: Diffusion-Enhanced Topic Modeling using Encoder-decoder based LLM”. Findings of the Association for Computational Linguistics: EMNLP 2023 (Stroudsburg, PA, USA: Association for Computational Linguistics): 9040–9057. arXiv:2310.15296. doi:10.18653/v1/2023.findings-emnlp.606.

[24] Liu, L.; Tang, L.; etal (2016). “An overview of topic modeling and its current applications in bioinformatics”. SpringerPlus 5 (1): 1608. doi:10.1186/s40064-016-3252-8. PMC 5028368. PMID 27652181.

[25] Valle, F.; Osella, M.; Caselle, M. (2020). “A Topic Modeling Analysis of TCGA Breast and Lung Cancer Transcriptomic Data”. Cancers 12 (12): 3799. doi:10.3390/cancers12123799. PMC 7766023. PMID 33339347.

[26] Shalit, Uri; Weinshall, Daphna; Chechik, Gal (2013-05-13). “Modeling Musical Influence with Topic Models” (英語). Proceedings of the 30th International Conference on Machine Learning (PMLR): 244–252.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

トピックモデルとは？わかりやすく解説

トピック‐モデル【topic model】