Seven Databases in Seven Weeks を読んでいたら、PostgreSQLでテキスト検索をする話が出てきた。先日 Levenshtein Distance（編集距離）について書いたばかりでホットな話題なので、少し遊んでみよう。
$ postgres --version
postgres (PostgreSQL) 9.6.3
※インデックスと英語以外の言語の場合については割愛。
データ
お気に入りのアメリカのクラフトビールデータセットを使う。適当に create table してCSVからデータを読み込む：
create table beers (
key int,
abv real,
ibu real,
id int,
name varchar(128),
style varchar(64),
brewery_id int,
ounces real
);
\copy beers from 'beers.csv' with csv;
sample=# select * from beers limit 5;
key | abv | ibu | id | name | style | brewery_id | ounces
-----+-------+-----+------+---------------------+--------------------------------+------------+--------
0 | 0.05 | | 1436 | Pub Beer | American Pale Lager | 408 | 12
1 | 0.066 | | 2265 | Devil's Cup | American Pale Ale (APA) | 177 | 12
2 | 0.071 | | 2264 | Rise of the Phoenix | American IPA | 177 | 12
3 | 0.09 | | 2263 | Sinister | American Double / Imperial IPA | 177 | 12
4 | 0.075 | | 2262 | Sex and Candy | American IPA | 177 | 12
やったぜ。
今回はRecSys2016に参加したときにいい感じのパブで飲んだ、Notch Brewing（マサチューセッツ州）のビール "Left of the Dial" (ABV 4.3%) を当該データセットから探す。1年前の思い出をもう一度！（そんなに好みのビールじゃなかったけど）
完全一致
まずは愚直に where 句で完全一致検索をしてみよう：
sample=# select * from beers where name = 'Left of the Dial';
key | abv | ibu | id | name | style | brewery_id | ounces
-----+-----+-----+----+------+-------+------------+--------
(0 rows)
無い…。
LIKE と ILIKE
そんなはずはない！というわけで、Fuzzy Search を試みる。
LIKE でビール名の前後に何らかの文字列があることを許容すれば：
sample=# select * from beers where name LIKE '%Left of the Dial%';
key | abv | ibu | id | name | style | brewery_id | ounces
------+-------+-----+------+----------------------+--------------+------------+--------
1504 | 0.043 | | 1917 | Left of the Dial IPA | American IPA | 271 | 12
(1 row)
あったー！ABVも記録と一致している。まさにこれだ。
ILIKE は LIKE の大文字・小文字を無視する版で、全部小文字で検索してもお目当てのビールがヒットするようになる：
sample=# select * from beers where name LIKE '%left of the dial%';
key | abv | ibu | id | name | style | brewery_id | ounces
-----+-----+-----+----+------+-------+------------+--------
(0 rows)
sample=# select * from beers where name ILIKE '%left of the dial%';
key | abv | ibu | id | name | style | brewery_id | ounces
------+-------+-----+------+----------------------+--------------+------------+--------
1504 | 0.043 | | 1917 | Left of the Dial IPA | American IPA | 271 | 12
(1 row)
正規表現
もう少し柔軟に、正規表現を使った検索も可能。
先の LIKE 相当の正規表現マッチは ~ で探して次の通り：
sample=# select * from beers where name ~ '.*Left of the Dial.*';
key | abv | ibu | id | name | style | brewery_id | ounces
------+-------+-----+------+----------------------+--------------+------------+--------
1504 | 0.043 | | 1917 | Left of the Dial IPA | American IPA | 271 | 12
(1 row)
~* で探せば、大文字・小文字を無視してくれて ILIKE 相当の結果も得られる：
sample=# select * from beers where name ~ '.*left of the dial.*';
key | abv | ibu | id | name | style | brewery_id | ounces
-----+-----+-----+----+------+-------+------------+--------
(0 rows)
sample=# select * from beers where name ~* '.*left of the dial.*';
key | abv | ibu | id | name | style | brewery_id | ounces
------+-------+-----+------+----------------------+--------------+------------+--------
1504 | 0.043 | | 1917 | Left of the Dial IPA | American IPA | 271 | 12
(1 row)
編集距離
とはいえ、検索クエリは LIKE と正規表現だけでカバーできるほど単純なものではない。特にtypo、これが厄介。
そこで編集距離 (Levenshtein Distance) を使って、もう少しtypoにロバストなクエリにする。
PostgreSQLでは fuzzystrmatch モジュールに関数 levenshtein などが含まれている：
sample=# create extension fuzzystrmatch;
CREATE EXTENSION
sample=# select levenshtein('kitten', 'sitting');
levenshtein
-------------
3
(1 row)
"Left of the Dial" からの編集距離が10以下のビールは結構ある：
sample=# select * from beers where levenshtein(lower(name), lower('Left of the Dial')) <= 10;
key | abv | ibu | id | name | style | brewery_id | ounces
------+-------+-----+------+----------------------+--------------------------+------------+--------
274 | 0.054 | | 1411 | Sawtooth Ale | American Blonde Ale | 407 | 12
383 | 0.072 | 60 | 1801 | Last Stop IPA | American IPA | 308 | 12
428 | 0.073 | | 1785 | Le Flaneur Ale | American Wild Ale | 10 | 16
690 | 0.072 | | 1623 | Lift Off IPA | American IPA | 358 | 16
695 | 0.06 | | 2371 | Neato Bandito | Euro Pale Lager | 127 | 12
1101 | 0.068 | 90 | 1903 | Let It Ride IPA | American IPA | 277 | 12
1385 | 0.075 | 85 | 2159 | City of the Sun | American IPA | 209 | 16
1493 | 0.045 | 50 | 2692 | Get Together | American IPA | 0 | 16
1504 | 0.043 | | 1917 | Left of the Dial IPA | American IPA | 271 | 12
1650 | 0.06 | 20 | 1791 | Hot Date Ale | Chile Beer | 314 | 16
1658 | 0.065 | | 2559 | Blood of the Unicorn | American Amber / Red Ale | 52 | 16
1702 | 0.08 | | 1375 | Nectar of the Hops | Mead | 421 | 16
2171 | 0.041 | | 1780 | Rise to the Top | Cream Ale | 142 | 12
2337 | | | 652 | West Sixth IPA | American IPA | 100 | 12
(14 rows)
また、levenshtein_less_equal(string 1, string 2, max distance) は max distance より小さい編集距離の文字列に対してはその正確な編集距離を、それ以外については max distance より大きな適当な値（ここでは max distance + 1）を返す関数：
select
name,
levenshtein(lower(name), lower('Left of the Dial')), /* 正確な編集距離 */
levenshtein_less_equal(lower(name), lower('Left of the Dial'), 11) /* 編集距離11以下だけ真面目に計算する */
from
beers
limit
5;
name | levenshtein | levenshtein_less_equal
---------------------+-------------+------------------------
Pub Beer | 14 | 12
Devil's Cup | 14 | 12
Rise of the Phoenix | 11 | 11
Sinister | 14 | 12
Sex and Candy | 13 | 12
(5 rows)
これいいですね。『いまさら編集距離 (Levenshtein Distance) を実装するぜ』でも書いたとおり Levenshtein Distance は動的計画法によって計算されるので、明らかに max distance より距離が大きくなるケースをさっさと切り捨てるのは小粒でぴりりと辛い工夫。
編集距離6以下を探せば、"Left of the Dial IPA" のみがヒットするようになる：
sample=# select * from beers where levenshtein_less_equal(lower(name), lower('Left of the Dial'), 6) <= 6;
key | abv | ibu | id | name | style | brewery_id | ounces
------+-------+-----+------+----------------------+--------------+------------+--------
1504 | 0.043 | | 1917 | Left of the Dial IPA | American IPA | 271 | 12
(1 row)
そして問題のtypoだが、この通り Dial を Daniel にtypoしても問題ない：
sample=# select * from beers where levenshtein_less_equal(lower(name), lower('Left of the Dniel'), 6) <= 6;
key | abv | ibu | id | name | style | brewery_id | ounces
------+-------+-----+------+----------------------+--------------+------------+--------
1504 | 0.043 | | 1917 | Left of the Dial IPA | American IPA | 271 | 12
(1 row)
『どの程度typoを許容するか』と『ヒットする件数』はトレードオフの関係にあるので、閾値を定めるのは結構大変。
文字のtri-gram
編集距離以上にtypoにロバストなのが、文字のtri-gramによる検索。
文字のtri-gramは単語のマルコフ連鎖の文字版、のようなイメージ。PostgreSQLでは pg_trgm モジュールをいれることでtri-gramのマッチ（文字列の部分的な一致）による柔軟な検索ができる。
たとえば Avatar という文字列からは av や ata のようなtri-gramが得られて、我々はそのtri-gramの意味で一致する文字列を探すことができる：
sample=# create extension pg_trgm;
CREATE EXTENSION
sample=# select show_trgm('Avatar');
show_trgm
-------------------------------------
{" a"," av","ar ",ata,ava,tar,vat}
(1 row)
実際には、where 句の = や ~ を % に置き換えるだけでtri-gramベースの検索が走る。
末尾の IPA が抜け落ちたくらいは問題ない：
sample=# select * from beers where name % 'Left of the Dial';
key | abv | ibu | id | name | style | brewery_id | ounces
------+-------+-----+------+----------------------+--------------+------------+--------
1504 | 0.043 | | 1917 | Left of the Dial IPA | American IPA | 271 | 12
(1 row)
Dial が Dia になっちゃっててもOK：
sample=# select * from beers where name % 'Left of the Dia';
key | abv | ibu | id | name | style | brewery_id | ounces
------+-------+-----+------+----------------------+--------------+------------+--------
1504 | 0.043 | | 1917 | Left of the Dial IPA | American IPA | 271 | 12
(1 row)
Dial が完全に抜け落ちていると、tri-gramに of や the を含む他のビールまでヒットするようになる：
sample=# select * from beers where name % 'Left of the';
key | abv | ibu | id | name | style | brewery_id | ounces
------+-------+-----+------+----------------------+-------------------------+------------+--------
1047 | 0.07 | 68 | 2294 | The Power of Zeus | American Pale Ale (APA) | 168 | 12
1385 | 0.075 | 85 | 2159 | City of the Sun | American IPA | 209 | 16
1504 | 0.043 | | 1917 | Left of the Dial IPA | American IPA | 271 | 12
(3 rows)
大文字・小文字や Dial のtypoくらいじゃへこたれない：
sample=# select * from beers where name % 'left of the daniel';
key | abv | ibu | id | name | style | brewery_id | ounces
------+-------+-----+------+----------------------+--------------+------------+--------
1504 | 0.043 | | 1917 | Left of the Dial IPA | American IPA | 271 | 12
(1 row)
TSVector
自然言語として、もっと直感に即した“それっぽさ”を見たければ TSVector という表現が使える。
"Left of the Dial" のTSVector表現はこんな感じ：
sample=# select to_tsvector('Left of the Dial');
to_tsvector
-------------------
'dial':4 'left':1
(1 row)
これによって語順に依存しない、字句（トークン）の存在有無に基づく検索が可能。of や the のような stop word の除外、大文字・小文字の統一といった基本的な前処理は勝手にやってくれる。
ビール名のTSVector to_tsvector(name) について、left と ipa を含むものを列挙すれば期待通り "Left of the Dial" が得られる：
sample=# select * from beers where to_tsvector(name) @@ to_tsquery('english', 'left & ipa');
key | abv | ibu | id | name | style | brewery_id | ounces
------+-------+-----+------+----------------------+--------------+------------+--------
1504 | 0.043 | | 1917 | Left of the Dial IPA | American IPA | 271 | 12
(1 row)
なお、to_tsvector() @@ to_tsquery() は次の構文と等価：
sample=# select * from beers where name @@ 'left & ipa';
key | abv | ibu | id | name | style | brewery_id | ounces
------+-------+-----+------+----------------------+--------------+------------+--------
1504 | 0.043 | | 1917 | Left of the Dial IPA | American IPA | 271 | 12
(1 row)
残念ながらtypoはカバーできない：
sample=# select * from beers where name @@ 'left & daniel';
key | abv | ibu | id | name | style | brewery_id | ounces
-----+-----+-----+----+------+-------+------------+--------
(0 rows)
サウンド距離
「なんとなく覚えているけど、正確には書けない！」というときのために、システムはtypoにロバストであってほしい。ここまで見てきたのは、そのためのスペルに基づく様々なFuzzy Search手法。
一方、スペルではなく“発音の近さ”（サウンド距離）で検索する方法もある。
この機能は levenshtein のときにいれた fuzzystrmatch モジュールに含まれている。
IPA（あいぴーえー）を ipear（あいぺあー）と読んでみよう。 ipear の発音は次のように記号化される：
sample=# select dmetaphone('ipear'), dmetaphone_alt('ipear'), metaphone('ipear', 8), soundex('ipear');
dmetaphone | dmetaphone_alt | metaphone | soundex
------------+----------------+-----------+---------
APR | APR | IPR | I160
(1 row)
明らかにtypoの域を越えているので、素のtri-gramでは何もヒットしない：
sample=# select * from beers where name % 'ipear';
key | abv | ibu | id | name | style | brewery_id | ounces
-----+-----+-----+----+------+-------+------------+--------
(0 rows)
しかし（記号化された）発音のtri-gramを比較すれば：
sample=# select * from beers where metaphone(name, 8) % metaphone('ipear', 8);
key | abv | ibu | id | name | style | brewery_id | ounces
------+-------+-----+------+----------+--------------+------------+--------
97 | 0.065 | | 2578 | IPA | American IPA | 35 | 12
591 | 0.057 | 58 | 2380 | IPA #11 | American IPA | 121 | 16
892 | 0.074 | 74 | 1777 | 2020 IPA | American IPA | 240 | 16
1114 | 0.068 | 55 | 558 | I-10 IPA | American IPA | 527 | 12
1192 | 0.068 | | 2493 | I.P. Eh! | American IPA | 59 | 12
1906 | 0.07 | 113 | 24 | 113 IPA | American IPA | 371 | 12
(6 rows)
おぉーIPAめっちゃ出てくるー。
まとめ
以上、柔軟な検索を実現するためのFuzzy Search手法たちでした。
実際のところ、RDB上でのFuzzy Searchって世の中ではどれだけ実用されているんだろうか。アルゴリズムの計算量、インデックスがどれだけ効果的に使えるか、期待する出力、etc..に応じて適切な検索手法を選択する必要があるので、なかなか難しい話題だと思う。
そして複数の手法を組み合わせたハイブリッドFuzzy Searchも可能なので、さらに悩む。"Seven Databases in Seven Weeks" では次のようなクエリが紹介されている：
select * from actors
where metaphone(name,8) % metaphone('Robin Williams',8)
order by levenshtein(lower('Robin Williams'), lower(name));
（Levenshtein Distance で order by とか絶対やりたくないけど…。）
まぁ細かいことは気にせず、みんなも思い出のビールを検索してみよう！（？）
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最終更新日: 2022-01-18
書いた人: たくち
たくちです。長野県出身、カナダ・バンクーバー在住のソフトウェアエンジニア。これまでB2B/B2Cの各領域で、Web技術・データサイエンス・機械学習のプロダクト化および顧客への導入支援・コンサルティング、そして関連分野のエバンジェリズムに携わってきました。現在はフリーランスとして活動を続けつつ、アフリカ・マラウイにて1年間の国際ボランティアに従事中。詳しい経歴はレジュメ を参照ください。いろいろなまちを走って、時に自然と戯れながら、その時間その場所の「日常」を生きています。ご意見・ご感想およびお仕事のご相談は [email protected] まで。
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