itemKNN发展史----推荐系统的三篇重要的论文解读

本文用到的符号标识

1、Item-based CF

基本过程：

• 计算相似度矩阵 Cosine相似度
• 皮尔逊相似系数

根据用户项目交互矩阵 \(A\) 计算相似度矩阵 \(W\)：

这样，用户对整个项目列表的偏好值可以如下计算：
\[{ {\tilde a_i}^T}={ a_i^T} \times W\]
例如，对于 j 号物品，用户的偏好值如此计算：
\[{ {\tilde a_{(u,j)}}}=\sum_{i\in { a_u^T}}{ { a_{(u,i)}}}W_{(i,j)}\]
由于交互矩阵 \(A\) 的稀疏性，矩阵 \(W\) 也应该是稀疏的。

2、SLIM: Sparse Linear Methods for Top-N Recommender Systems

1. 现有的两种推荐系统
   基于邻居的协同过滤（代表，item-based CF）
   【特点】：能快速生成推荐，推荐质量不高，没有从数据中学习。
   • 基于模型的方法（代表，矩阵分解 MF 模型）
     【特点】：模型训练慢，推荐质量高。

相比于以上两种方法，SLIM 既高效，推荐质量又高。

1. SLIM 关键思想
   保留 item-KNN 的稀疏矩阵 \(W\) 的特点。
   • 通过从 \(A\) 中自学习矩阵 \(W\) 来提高推荐性能。
2. 学习过程
   \[L(\cdot) =\frac{1}{2} ||A-AW||_F^2+\frac{\beta}{2} ||W||_F^2+\lambda||W||_1 \]\[ {subject\ \ to\ \ }W\geq0, {diag}(W)=0\]
   其中：
   \({diag} = 0\) 约束同一项目与自己的相似度不加入计算。
   
   • \(l1\) 正则化约束使得矩阵$ W $稀疏
   • 弗罗贝尼乌斯范数类似于矩阵的平方，用来防止数据过拟合

可以看到，实际上这个过程是可以并行执行的。
SLIM 的 paper 中使用了坐标下降和软阈值的方法来实现问题的求解。
使用特征选择可以减少 SLIM 的计算量。文章中使用了item-KNN 的方式选择了与待估项目相似度靠前的作为特征选择方式。

3、FISM:Factor item Similarity Models for Top-N Recommender Systems

论文主要完成了以下四个工作：

• 将基于项目的隐因子的方法扩展到 top-N 问题，这使得它们能够有效地处理稀疏数据集;
• 使用结构方程建模方法评估基于项目的隐因子方法。
• 同时使用均方误差和排名误差来评估该模型
• 观察各种参数的影响，因为与偏置，邻居协议和引起模型的稀疏性有关。

1. 相关工作

• SLIM
• NSVD（rating prediction）
  \[\hat r_{ui}=b_u+b_i+\sum_{j\in \mathbb{R}_u^+} {p}_j q_i^T\]
  扩展了item-kNN,学习item之间的相似度。使用每个项目的隐因子内积作为相似度。
• SVD++

1. 动机与模型比较
   传统的 item-KNN 包括 SLIM 对交互矩阵 \(A\) 的处理按行或列独立，因此，如果两个 item 都没有评价记录，则这两个处理方法都会将两个 item 的相似度置为 0 ，这是不合理的。
   • MF 模型考虑到了这个问题，但是它的效果不如 SLIM。

与 NSVD 和 SVD++ 比较：

• FISM 解决 Top-N；SVD 解决 rating prediction
• FISM 采用基于结构方程建模的回归方法。
• 评估某个 item 时，不使用用户对于该 item 的评分信息。
  P.S. 这影响了相似度矩阵对角线元素对评估的影响，FISM评估时去掉了对角线元素，而SVD等保留了，这使得隐因子很大的情况下FISM表现得比 SVD 好