elasticsearch 评分算法BM25-马育民老师

# 介绍

BM25（Okapi BM25）是工业界最主流的 **全文检索相关性打分算法**，核心是对 TF‑IDF 做**词频饱和+长度归一化**修正，让短文档更占优、高频词不过度权重、长文档不天然占便宜。下面从原理、公式、参数、流程、优缺点、与 TF‑IDF 对比、工程实现、调优与应用场景，一次性讲透。

# BM25 是什么

- **全称**：Okapi BM25（Best Matching 25），1970s 由 Robertson 等人提出，因是第25版且效果最佳而得名。
- **定位**：**概率检索模型**下的**词袋（Bag‑of‑Words）排序算法**，只看词是否出现、不看语序。
- **用途**：计算**查询 Q 与文档 D 的相关性分数**，分数越高排越前；是 Elasticsearch、Solr、OpenSearch 的**默认相关性算法**。

# 应用场景

1. **传统搜索引擎**：ES、Solr、OpenSearch 默认排序
2. **RAG 检索**：大模型知识库检索（先 BM25 召回，再重排）
3. **站内搜索**：电商商品、新闻、博客、知识库搜索
4. **短文本匹配**：标题、摘要、关键词检索
5. **混合检索**：BM25（关键词）+ 向量检索（语义），兼顾精准与语义

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# 公式

[![](https://www.malaoshi.top/upload/0/0/1GW3LxGlIGTG.png)](https://www.malaoshi.top/upload/0/0/1GW3LxGlIGTG.png)

[![](https://www.malaoshi.top/upload/0/0/1GW3LxHuWPaO.png)](https://www.malaoshi.top/upload/0/0/1GW3LxHuWPaO.png)

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# 全文检索完整流程

1. **建索引阶段**

- 文档分词 → 词项列表
   
   - 统计：总文档数 $$N$$、各词 $$n(q_i)$$、文档长度 $$|D|$$、平均长度 $${avgdl}$$
   - 计算每个词的 IDF 并存入索引

2. **检索阶段**

- 查询分词 → $$(q1 \ldots qn)$$
   
   - 对每个查询词：
     - 查倒排索引，拿到包含该词的文档列表
     - 计算该词在文档中的 TF
     - 代入公式计算单词语分
   - 所有词分数求和 → 文档最终 BM25 分
   - 按分数降序排序，返回 Top‑K

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# BM25 vs TF‑IDF

| 维度 | TF‑IDF | BM25 |
|---|---|---|
| 词频 TF | 线性增长，无上限 | 饱和增长，有天花板（$k_1+1$） |
| 文档长度 | 长文档天然占优 | 归一化，短文档更占优 |
| IDF 计算 | 无平滑，易无穷大 | +0.5 平滑，稳定有界 |
| 排序效果 | 易被关键词堆砌作弊 | 抗作弊，相关性更准 |
| 工业应用 | 早期搜索引擎 | ES/Solr 默认，RAG 检索首选 |

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# 优缺点总结
### 优点
1. **相关性精准**：解决 TF‑IDF 两大缺陷，排序更符合人类直觉
2. **轻量高效**：纯统计、无训练、可解释、速度快（适合海量数据）
3. **鲁棒性强**：IDF 平滑、词频饱和，抗噪声、抗作弊
4. **易调优**：仅 2 个核心参数，场景适配简单

### 缺点
1. **词袋假设**：不考虑语序、语义、上下文（如“我吃苹果”≠“苹果吃我”）
2. **无法理解语义**：同义词、近义词、多义词处理弱（需结合词向量/大模型）
3. **依赖分词质量**：中文需精准分词，否则效果差

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# 工程实现

Python 极简版

```python
import math
from collections import defaultdict

# 1. 计算 IDF
def compute_idf(documents):
    N = len(documents)
    idf = defaultdict(int)
    for doc in documents:
        unique_words = set(doc)
        for word in unique_words:
            idf[word] += 1
    # BM25 平滑 IDF
    for word in idf:
        idf[word] = math.log((N - idf[word] + 0.5) / (idf[word] + 0.5))
    return idf

# 2. 计算单文档 BM25 分数
def bm25_score(query, doc, idf, k1=1.2, b=0.75, avgdl=100):
    doc_len = len(doc)
    score = 0.0
    for word in query:
        if word not in doc:
            continue
        tf = doc.count(word)
        idf_val = idf[word]
        # BM25 公式
        numerator = tf * (k1 + 1)
        denominator = tf + k1 * (1 - b + b * doc_len / avgdl)
        score += idf_val * numerator / denominator
    return score

# 3. 批量检索排序
def bm25_search(query, documents, top_k=3):
    idf = compute_idf(documents)
    avgdl = sum(len(doc) for doc in documents) / len(documents)
    # 计算所有文档分数
    scores = []
    for i, doc in enumerate(documents):
        s = bm25_score(query, doc, idf, avgdl=avgdl)
        scores.append((i, s))
    # 排序取 Top-K
    scores.sort(key=lambda x: x[1], reverse=True)
    return [documents[i] for i, s in scores[:top_k]]
```

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# 进阶：BM25 与向量检索结合（RAG 最佳实践）
- **BM25 强项**：关键词精准匹配、速度快、可解释
- **向量检索强项**：语义理解、同义词、上下文
- **最佳组合**：**BM25 召回 Top‑50 + 向量重排 Top‑10**，兼顾速度、精准、语义

原文出处：http://www.malaoshi.top/show_1GW3LxPO7Q2z.html