推荐系统排序算法--FFM模型

1、FFM理论

在CTR预估中，经常会遇到one-hot类型的变量，one-hot类型变量会导致严重的数据特征稀疏的情况，为了解决这一问题，在上一讲中，我们介绍了FM算法。这一讲我们介绍一种在FM基础上发展出来的算法-FFM（Field-aware Factorization Machine）。

FFM模型中引入了类别的概念，即field。还是拿上一讲中的数据来讲，先看下图：

1、点击数据

在上面的广告点击案例中，“Day=26/11/15”、“Day=1/7/14”、“Day=19/2/15”这三个特征都是代表日期的，可以放到同一个field中。同理，Country也可以放到一个field中。简单来说，同一个categorical特征经过One-Hot编码生成的数值特征都可以放到同一个field，包括用户国籍，广告类型，日期等等。

为了使用FFM方法，所有的特征必须转换成“field_id:feat_id:value”格式，field_id代表特征所属field的编号，feat_id是特征编号，value是特征的值。数值型的特征比较容易处理，只需分配单独的field编号，如用户评论得分、商品的历史CTR/CVR等。categorical特征需要经过One-Hot编码成数值型，编码产生的所有特征同属于一个field，而特征的值只能是0或1，如用户的性别、年龄段，商品的品类id等。除此之外，还有第三类特征，如用户浏览/购买品类，有多个品类id且用一个数值衡量用户浏览或购买每个品类商品的数量。这类特征按照categorical特征处理，不同的只是特征的值不是0或1，而是代表用户浏览或购买数量的数值。按前述方法得到field_id之后，再对转换后特征顺序编号，得到feat_id，特征的值也可以按照之前的方法获得。

在FFM中，每一维特征 $x_{i}$ ，针对其它特征的每一种field $f_{i}$ ，都会学习一个隐向量 $x_{i,f_{j} }$ 。因此，隐向量不仅与特征相关，也与field相关。也就是说，“Day=26/11/15”这个特征与“Country”特征和“Ad_type"特征进行关联的时候使用不同的隐向量，这与“Country”和“Ad_type”的内在差异相符，也是FFM中“field-aware”的由来。

假设样本的 $n$ 个特征属于 $f$ 个field，那么FFM的二次项有 $nf$ 个隐向量。而在FM模型中，每一维特征的隐向量只有一个。FM可以看作FFM的特例，是把所有特征都归属到一个field时的FFM模型。根据FFM的field敏感特性，可以导出其模型方程。

$y(x)=w_{0}+ \sum_{i=1}^n w_{i} x_{i}+ \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=i+1}^n <v_{i, f_{j} }, v_{j, f_{i} }> x_{i} x_{j}$

可以看到，如果隐向量的长度为 $k$ ，那么FFM的二次参数有 $nfk$ 个，远多于FM模型的 $nk$ 个。此外，由于隐向量与field相关，FFM二次项并不能够化简，其预测复杂度是 $O(kn^2)$ 。

下面以一个例子简单说明FFM的特征组合方式。输入记录如下：

2、通常数据

这条记录可以编码成5个特征，其中“Genre=Comedy”和“Genre=Drama”属于同一个field，“Price”是数值型，不用One-Hot编码转换。为了方便说明FFM的样本格式，我们将所有的特征和对应的field映射成整数编号。

3、FFM格式

那么，FFM的组合特征有10项，如下图所示。

4、FFM的组合特征

其中，红色是field编号，蓝色是特征编号。

2、FFM实现细节

这里讲得只是一种FFM的实现方式，并不是唯一的。

2.1 损失函数

FFM将问题定义为分类问题，使用的是logistic loss，同时加入了正则项

$\underset{x}{min} \sum_{i=1}^L log(1+exp\left\{-y_{i}\phi (W X_{i} ) \right\})+\frac{\lambda }{2} \left\|W\right\|^2$

什么，这是logisitc loss？第一眼看到我是懵逼的，逻辑回归的损失函数我很熟悉啊，不是长这样的啊？其实是我目光太短浅了。逻辑回归其实是有两种表述方式的损失函数的，取决于你将类别定义为0和1还是1和-1。大家可以参考下下面的文章：https://www.cnblogs.com/ljygoodgoodstudydaydayup/p/6340129.html。当我们将类别设定为1和-1的时候，逻辑回归的损失函数就是上面的样子。

2.2 梯度下降

梯度下降方法有很多种，根据为提高效率分别衍生了批量梯度下降，随机梯度下降及小批量梯度下降，根据需求选择即可

参考文献

论文：Field-aware Factorization Machines for CTR Prediction

推荐系统遇上深度学习(二)--FFM模型理论和实践

FM系列算法解读（FM+FFM+DeepFM）

C++版的FFM模型：libFFM

深入FFM原理与实践

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