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基于矩阵分解的推荐算法

2016-02-20 19:06 399 查看
本文将要讨论基于矩阵分解的推荐算法,这一类型的算法通常会有很高的预测精度,也活跃于各大推荐系统竞赛上面,前段时间的百度电影推荐最终结果的前10名貌似都是把矩阵分解作为一个单模型,最后各种ensemble,不知道正在进行的阿里推荐比赛( http://102.alibaba.com/competition/addDiscovery/index.htm),会不会惊喜出现。。。。好了,闲话不扯了,本文打算写一篇该类型推荐算法的入门篇

目录
一,基于矩阵分解的推荐算法相关理论介绍
二,C++代码实现
三,总结跟展望一下
四,后续计划

一,基于矩阵分解的推荐算法相关理论介绍
我们知道,要做推荐系统,最基本的一个数据就是,用户-物品的评分矩阵,如下图1所示



图1
矩阵中,描述了5个用户(U1,U2,U3,U4 ,U5)对4个物品(D1,D2,D3,D4)的评分(1-5分),- 表示没有评分,现在目的是把没有评分的 给预测出来,然后按预测的分数高低,给用户进行推荐。
如何预测缺失的评分呢?对于缺失的评分,可以转化为基于机器学习的回归问题,也就是连续值的预测,对于矩阵分解有如下式子,R是类似图1的评分矩阵,假设N*M维(N表示行数,M表示列数),可以分解为P跟Q矩阵,其中P矩阵维度N*K,P矩阵维度K*M。



式子1
对于P,Q矩阵的解释,直观上,P矩阵是N个用户对K个主题的关系,Q矩阵是K个主题跟M个物品的关系,至于K个主题具体是什么,在算法里面K是一个参数,需要调节的,通常10~100之间。



式子2
对于式子2的左边项,表示的是R^ 第i行,第j列的元素值,对于如何衡量,我们分解的好坏呢,式子3,给出了衡量标准,也就是损失函数,平方项损失,最后的目标,就是每一个元素(非缺失值)的e(i,j)的总和 最小



式子3
OK,目前现在评分矩阵有了,损失函数也有了,该优化算法登场了,下面式子4是,基于梯度下降的优化算法,p,q里面的每个元素的更新方式





式子4
然而,机器学习算法都喜欢加一个正则项,这里面对式子3稍作修改,得到如下式子5,beita 是正则参数



式子5
相应的p,q矩阵各个元素的更新也换成了如下方式



式子6
至此,P,Q矩阵元素求出来了之后,计算某个用户i对某个物品j的评分计算就是p(i,1)*q(1,j)+p(i,2)*q(2,j)+....+p(i,k)*q(k,j)。

二,C++代码实现
第一部分已经给出了,基于矩阵分解的推荐算法的整个流程,下面是该算法编程实现(C/C++),代码加一些注释有助于理解

1 /**

2

3 评分矩阵R如下

4

5 D1 D2 D3 D4

6

7 U1 5 3 - 1

8

9 U2 4 - - 1

10

11 U3 1 1 - 5

12

13 U4 1 - - 4

14

15 U5 - 1 5 4

16

17 ***/

18

19 #include<iostream>

20

21 #include<cstdio>

22

23 #include<cstdlib>

24

25 #include<cmath>

26

27 using namespace std;

28

29

30

31 void matrix_factorization(double *R,double *P,double *Q,int N,int M,int K,int steps=5000,float alpha=0.0002,float beta=0.02)

32

33 {

34

35 for(int step =0;step<steps;++step)

36

37 {

38

39 for(int i=0;i<N;++i)

40

41 {

42

43 for(int j=0;j<M;++j)

44

45 {

46

47 if(R[i*M+j]>0)

48

49 {

50

51 //这里面的error 就是公式6里面的e(i,j)

52

53 double error = R[i*M+j];

54

55 for(int k=0;k<K;++k)

56

57 error -= P[i*K+k]*Q[k*M+j];

58

59

60

61 //更新公式6

62

63 for(int k=0;k<K;++k)

64

65 {

66

67 P[i*K+k] += alpha * (2 * error * Q[k*M+j] - beta * P[i*K+k]);

68

69 Q[k*M+j] += alpha * (2 * error * P[i*K+k] - beta * Q[k*M+j]);

70

71 }

72

73 }

74

75 }

76

77 }

78

79 double loss=0;

80

81 //计算每一次迭代后的,loss大小,也就是原来R矩阵里面每一个非缺失值跟预测值的平方损失

82

83 for(int i=0;i<N;++i)

84

85 {

86

87 for(int j=0;j<M;++j)

88

89 {

90

91 if(R[i*M+j]>0)

92

93 {

94

95 double error = 0;

96

97 for(int k=0;k<K;++k)

98

99 error += P[i*K+k]*Q[k*M+j];

100

101 loss += pow(R[i*M+j]-error,2);

102

103 for(int k=0;k<K;++k)

104

105 loss += (beta/2) * (pow(P[i*K+k],2) + pow(Q[k*M+j],2));

106

107 }

108

109 }

110

111 }

112

113 if(loss<0.001)

114

115 break;

116

117 if (step%1000==0)

118

119 cout<<"loss:"<<loss<<endl;

120

121 }

122

123 }

124

125

126

127 int main(int argc,char ** argv)

128

129 {

130

131 int N=5; //用户数

132

133 int M=4; //物品数

134

135 int K=2; //主题个数

136

137 double *R=new double[N*M];

138

139 double *P=new double[N*K];

140

141 double *Q=new double[M*K];

142

143 R[0]=5,R[1]=3,R[2]=0,R[3]=1,R[4]=4,R[5]=0,R[6]=0,R[7]=1,R[8]=1,R[9]=1;

144

145 R[10]=0,R[11]=5,R[12]=1,R[13]=0,R[14]=0,R[15]=4,R[16]=0,R[17]=1,R[18]=5,R[19]=4;

146

147

148

149 cout<< "R矩阵" << endl;

150

151 for(int i=0;i<N;++i)

152

153 {

154

155 for(int j=0;j<M;++j)

156

157 cout<< R[i*M+j]<<',';

158

159 cout<<endl;

160

161 }

162

163

164

165 //初始化P,Q矩阵,这里简化了,通常也可以对服从正态分布的数据进行随机数生成

166

167 srand(1);

168

169 for(int i=0;i<N;++i)

170

171 for(int j=0;j<K;++j)

172

173 P[i*K+j]=rand()%9;

174

175

176

177 for(int i=0;i<K;++i)

178

179 for(int j=0;j<M;++j)

180

181 Q[i*M+j]=rand()%9;

182

183 cout <<"矩阵分解 开始" << endl;

184

185 matrix_factorization(R,P,Q,N,M,K);

186

187 cout <<"矩阵分解 结束" << endl;

188

189

190

191 cout<< "重构出来的R矩阵" << endl;

192

193 for(int i=0;i<N;++i)

194

195 {

196

197 for(int j=0;j<M;++j)

198

199 {

200

201 double temp=0;

202

203 for (int k=0;k<K;++k)

204

205 temp+=P[i*K+k]*Q[k*M+j];

206

207 cout<<temp<<',';

208

209 }

210

211 cout<<endl;

212

213 }

214

215 free(P),free(Q),free(R);

216

217 return 0;

218

219 }

执行的结果如下图所示,



三,展望
前两个部分,已经简单的介绍了最基本的基于矩阵分解的推荐算法,基于该算法的一些变种,类似svd++,pmf等,都是针对某一些特定的数据场景进行的一些改进,那有没有统一的框架来整合这些场景呢??前两年在KDDcup大赛,大出风头的Factorization Machine(FM),其中FM的核心理论在于用Factorization来刻画feature跟feature之间的关系,如下面公式



<Vi,Vj>正是刻画了xi,xj的关系,上面式子可以理解为FM=SVM+Factorization Methods,后续准备开一篇博文,来阐释FM模型,跟其作者开源的LibFM工具箱,最后贴一张八卦的图,图中讲的是bickson(graphlab/graphchi的里面推荐工具包的作者),在一次会议上,对steffen(libfm的作者)问的一个问题



四,后续计划
1),介绍FM模型
2),LibFM源码剖析

参考资料
1),bickson.blogspot.com/2012/08/steffen-rendle-libfm.html‎
2),S. Rendle.Factorization machines.In Proceedings of the 10th IEEE International Conference on Data Mining. IEEE Computer Society, 2010.
3), http://www.quuxlabs.com/blog/2010/09/matrix-factorization-a-simple-tutorial-and-implementation-in-python/



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