推薦系統遇上深度學習(一)--FM模型理論和實踐

1、FM背景

在計算廣告和推薦系統中，CTR預估(click-through rate)是非常重要的一個環節，判斷一個商品的是否進行推薦需要根據CTR預估的點選率來進行。在進行CTR預估時，除了單特征外，往往要對特征進行組合。對于特征組合來說，業界現在通用的做法主要有兩大類：FM系列與Tree系列。今天，我們就來講講FM算法。

2、one-hot編碼帶來的問題

FM(Factorization Machine)主要是為了解決資料稀疏的情況下，特征怎樣組合的問題。已一個廣告分類的問題為例，根據使用者與廣告位的一些特征，來預測使用者是否會點選廣告。資料如下：(本例來自美團技術團隊分享的paper)

clicked是分類值，表明使用者有沒有點選該廣告。1表示點選，0表示未點選。而country,day,ad_type則是對應的特征。對于這種categorical特征，一般都是進行one-hot編碼處理。

将上面的資料進行one-hot編碼以後，就變成了下面這樣 ：

因為是categorical特征，是以經過one-hot編碼以後，不可避免的樣本的資料就變得很稀疏。舉個非常簡單的例子，假設淘寶或者京東上的item為100萬，如果對item這個次元進行one-hot編碼，光這一個次元資料的稀疏度就是百萬分之一。由此可見，資料的稀疏性，是我們在實際應用場景中面臨的一個非常常見的挑戰與問題。

one-hot編碼帶來的另一個問題是特征空間變大。同樣以上面淘寶上的item為例，将item進行one-hot編碼以後，樣本空間有一個categorical變為了百萬維的數值特征，特征空間一下子暴增一百萬。是以大廠動不動上億次元，就是這麼來的。

3、對特征進行組合

普通的線性模型，我們都是将各個特征獨立考慮的，并沒有考慮到特征與特征之間的互相關系。但實際上，大量的特征之間是有關聯的。最簡單的以電商為例，一般女性使用者看化妝品服裝之類的廣告比較多，而男性更青睐各種球類裝備。那很明顯，女性這個特征與化妝品類服裝類商品有很大的關聯性，男性這個特征與球類裝備的關聯性更為密切。如果我們能将這些有關聯的特征找出來，顯然是很有意義的。

一般的線性模型為：

從上面的式子很容易看出，一般的線性模型壓根沒有考慮特征間的關聯。為了表述特征間的相關性，我們采用多項式模型。在多項式模型中，特征xi與xj的組合用xixj表示。為了簡單起見，我們讨論二階多項式模型。具體的模型表達式如下：

上式中，n表示樣本的特征數量,xi表示第i個特征。

與線性模型相比，FM的模型就多了後面特征組合的部分。

4、FM求解

從上面的式子可以很容易看出，組合部分的特征相關參數共有n(n−1)/2個。但是如第二部分所分析，在資料很稀疏的情況下，滿足xi,xj都不為0的情況非常少，這樣将導緻ωij無法通過訓練得出。

為了求出ωij，我們對每一個特征分量xi引入輔助向量Vi=(vi1,vi2,⋯,vik)。然後，利用vivj^T對ωij進行求解。

那麼ωij組成的矩陣可以表示為:

那麼，如何求解vi和vj呢？主要采用了公式：

具體過程如下：

上面的式子中有同學曾經問我第一步是怎麼推導的，其實也不難，看下面的手寫過程(大夥可不要嫌棄字醜喲)

經過這樣的分解之後，我們就可以通過随機梯度下降SGD進行求解：

5、tensorflow代碼詳解

代碼參考位址：https://github.com/babakx/fm_tensorflow/blob/master/fm_tensorflow.ipynb

上面的代碼使用的是python2編碼，在python3下運作會出錯，是以如果大家使用的是python3的話，可以參考我寫的，其實就是修複了幾個bug啦，哈哈。

我的github位址：

https://github.com/princewen/tensorflow_practice/tree/master/recommendation-FM-demo。

本文使用的資料是MovieLens100k Datase，資料包括四列，分别是使用者ID，電影ID，打分，時間。

輸入變換

要使用FM模型，我們首先要将資料處理成一個矩陣，矩陣的大小是使用者數 * 電影數。如何根據現有的資料進行處理呢？使用的是scipy.sparse中的csr.csr_matrix，了解這個函數真的費了不少功夫呢，不過還是在下面部落格(https://blog.csdn.net/u012871493/article/details/51593451)的幫助下了解了函數的原理。盜用部落格中的一張圖來幫助大家了解這個函數的輸入：

函數形式如下：

csr_matrix((data, indices, indptr)           

複制

可以看到，函數接收三個參數，第一個參數是數值，第二個參數是每個數對應的列号，第三個參數是每行的起始的偏移量，舉上圖的例子來說，第0行的起始偏移是0，第0行有2個非0值，是以第一行的起始偏移是2，第1行有兩個非0值，是以第二行的起始偏移是4，依次類推。

下面的代碼是如何将原始的檔案輸入轉換成我們的矩陣：

def vectorize_dic(dic,ix=None,p=None,n=0,g=0):
    """
    dic -- dictionary of feature lists. Keys are the name of features
    ix -- index generator (default None)
    p -- dimension of featrure space (number of columns in the sparse matrix) (default None)
    """
    if ix==None:
        ix = dict()

    nz = n * g

    col_ix = np.empty(nz,dtype = int)

    i = 0
    for k,lis in dic.items():
        for t in range(len(lis)):
            ix[str(lis[t]) + str(k)] = ix.get(str(lis[t]) + str(k),0) + 1
            col_ix[i+t*g] = ix[str(lis[t]) + str(k)]
        i += 1

    row_ix = np.repeat(np.arange(0,n),g)
    data = np.ones(nz)
    if p == None:
        p = len(ix)

    ixx = np.where(col_ix < p)
    return csr.csr_matrix((data[ixx],(row_ix[ixx],col_ix[ixx])),shape=(n,p)),ix

cols = ['user','item','rating','timestamp']

train = pd.read_csv('data/ua.base',delimiter='\t',names = cols)
test = pd.read_csv('data/ua.test',delimiter='\t',names = cols)

x_train,ix = vectorize_dic({'users':train['user'].values,
                            'items':train['item'].values},n=len(train.index),g=2)


x_test,ix = vectorize_dic({'users':test['user'].values,
                           'items':test['item'].values},ix,x_train.shape[1],n=len(test.index),g=2)


y_train = train['rating'].values
y_test = test['rating'].values

x_train = x_train.todense()
x_test = x_test.todense()           

複制

如果不做處理，函數傳回的矩陣是按如下的格式儲存的：

使用todense變換後，變成如下樣式：

估計值計算

得到我們的輸入之後，我們使用tensorflow來設計我們的模型，其實很簡單啦，我們模型的估計值由兩部分構成，原始的可以了解為線性回歸的部分，以及交叉特征的部分，交叉特征直接使用我們最後推導的形式即可，再回顧一遍：

是以，我們需要定義三個placeholder，分别是輸入的x，輸入的y，以及我們的 使用者數*電影數大小的待學習的fm矩陣：

n,p = x_train.shape

k = 10

x = tf.placeholder('float',[None,p])

y = tf.placeholder('float',[None,1])

w0 = tf.Variable(tf.zeros([1]))
w = tf.Variable(tf.zeros([p]))

v = tf.Variable(tf.random_normal([k,p],mean=0,stddev=0.01))

#y_hat = tf.Variable(tf.zeros([n,1]))

linear_terms = tf.add(w0,tf.reduce_sum(tf.multiply(w,x),1,keep_dims=True)) # n * 1
pair_interactions = 0.5 * tf.reduce_sum(
    tf.subtract(
        tf.pow(
            tf.matmul(x,tf.transpose(v)),2),
        tf.matmul(tf.pow(x,2),tf.transpose(tf.pow(v,2)))
    ),axis = 1 , keep_dims=True)


y_hat = tf.add(linear_terms,pair_interactions)           

複制

定義損失函數

這裡我們定義的損失函數除了平方損失外，還加了l2正則項，并使用梯度下降法進行參數的更新：

lambda_w = tf.constant(0.001,name='lambda_w')
lambda_v = tf.constant(0.001,name='lambda_v')

l2_norm = tf.reduce_sum(
    tf.add(
        tf.multiply(lambda_w,tf.pow(w,2)),
        tf.multiply(lambda_v,tf.pow(v,2))
    )
)

error = tf.reduce_mean(tf.square(y-y_hat))
loss = tf.add(error,l2_norm)


train_op = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate=0.01).minimize(loss)           

複制

模型訓練

接下來就是訓練啦，這段代碼比較好了解：

epochs = 10
batch_size = 1000

# Launch the graph
init = tf.global_variables_initializer()
with tf.Session() as sess:
    sess.run(init)

    for epoch in tqdm(range(epochs), unit='epoch'):
        perm = np.random.permutation(x_train.shape[0])
        # iterate over batches
        for bX, bY in batcher(x_train[perm], y_train[perm], batch_size):
            _,t = sess.run([train_op,loss], feed_dict={x: bX.reshape(-1, p), y: bY.reshape(-1, 1)})
            print(t)


    errors = []
    for bX, bY in batcher(x_test, y_test):
        errors.append(sess.run(error, feed_dict={x: bX.reshape(-1, p), y: bY.reshape(-1, 1)}))
        print(errors)
    RMSE = np.sqrt(np.array(errors).mean())
    print (RMSE)           

複制

參考文章：

1、http://blog.csdn.net/bitcarmanlee/article/details/52143909

2、https://blog.csdn.net/u012871493/article/details/51593451