推荐系统召回之item2vec(四)

一简介

item2vec 的理论源于《Item2Vec: Neural Item Embedding for Collaborative Filtering》将引导你了解word2vec 背后的思想，以及它在电商推荐系统中的一个扩展（item2vec）。具体来说，利用word2vec的概念和gensim软件包提供的模块，将搭建一个轻量级的电影推荐系统。
item2vec 简介:计算items的相似性是现代推荐系统中一个关键对的组成部分。过去，人们只是通过判断“有无”的方式来向量化系统中的各个items，这样的方式并不能很好表示items之间的关系，而且泛化能力很差，因此需要一种特殊的方法来将items映射到能够满足我们的需求的向量上去。
后来研究人员研究出了使用SVD（奇异值分解，矩阵分解的一种）的方式来计算表示items的向量，这种方法从某种程度上已经满足了人们在计算items的相似性以及模型泛化能力的需求了。但是随着自然语言领域不断发展，研究人员开发出了一种叫做word2vec的神经语言模型，通过神经网络模型来隐式地计算出词汇表中的每一个单词的向量化表示，这种表示方式能够很好地描述单词间的语义和语法关系，从而使得模型具有相当的泛化能力，因此该方法及其变形已经被广泛地应用到NLP领域的各个方面。
　　　所以，论文指出，可以使用相似的方法来计算协助过滤中所有items的向量化表示，从而隐式地得到items间的相互关系，使得我们能够更好地计算出items间的相似性以及提升模型的泛化能力。
它是一种基于item的协同过滤算法(Collaborative Filtering algorithm)，利用在潜在空间( latent space)中item embedding 表征。与传统的奇异值分解（SVD）方法甚至是深度学习算法相比，该算法具有很强的竞争力。

二 介绍一下word2vec 和item2vec的原理

文章将引用 McCormick, C.的一篇关于 Word2Vec的教程，想了解更多关于word2vec的内容和原理，极力推荐阅读原文。
word2vec其实包括两个浅层神经网络结构。即CBOW和Skip-Gram结构。这些体系结构描述了神经网络如何“学习”神经网络中每一层节点的权重。这里将简单地解释一下Skip-Gram的结构，这足以让我们理解item2vec了。
Skip-Gram就是：给一个单词，预测在字典里头常常出现在该单词"邻近"的单词的概率。这里的"邻近"就是定义在一个固定大小的窗口(window)内，在句子中，距离给定单词小于固定窗口(window)的大小的单词。例如：“在 这里 生活着，我 很 快乐！”，如果取大小为2的窗口，“我”的邻近单词[“很”，“快乐”，“生活着”，“这里”]，[“在”]就不在邻近的集合内部。
Skip Gram体系结构使用以下布局来解决问题：

image.png

在这种结构中，对于一个给定的单词，它的一个独热编码(one-hot)的单词向量被投影到一个嵌入到中间层的低维单词(embedding)中，然后转换成一个指定其周围单词概率的向量。想了解更多，请阅读此文
这里的机器学习优化问题是从数据中学习最优的投影矩阵。Wrod2vec是一种“自监督”算法，从这个意义上说，虽然我们不需要提供标记的数据，但是需要从数据中生成“正确的概率”，以便算法学习权重。下面的图表最能说明生成training sample的过程。根据生成的词对，可以计算出“正确”概率。每个训练示例都将被传递到这个结构中，以调整投影矩阵的权重。

image.png

准备数据

这里将使用由movieens研究团队策划的movieens 20M数据集。它包含由138000名用户完成关于27000部电影的2000万个评价数据和46.5万个标签数据。有关详细信息，您可以访问官方网站。您可以通过此链接下载数据集。
为了构建推荐系统，将使用下载数据集中的“movies.csv”和“ratings.csv”文件。“movies.csv”是一个查找表，用于查找电影的ID及其名称。“ratings.csv”包含所有电影用户的分级。以下代码读取csv文件，检查数据并可视化分级分布。为了方便起见，我还为电影ID和电影名称创建了查找字典。

import pandas as pd
import numpy as np

df_movies = pd.read_csv('ml-20m/movies.csv')
df_ratings = pd.read_csv('ml-20m/ratings.csv')

movieId_to_name = pd.Series(df_movies.title.values, index = df_movies.movieId.values).to_dict()
name_to_movieId = pd.Series(df_movies.movieId.values, index = df_movies.title).to_dict()

# Randomly display 5 records in the dataframe
for df in list((df_movies, df_ratings)):
    rand_idx = np.random.choice(len(df), 5, replace=False)
    display(df.iloc[rand_idx,:])
    print("Displaying 5 of the total "+str(len(df))+" data points")

image.png

import matplotlib.pyplot as plt
import plotly.plotly as py
%matplotlib inline

plt.figure(figsize=(8, 6))
ax = plt.subplot(111)
ax.set_title("Distribution of Movie Ratings", fontsize=16)
ax.spines["top"].set_visible(False)  
ax.spines["right"].set_visible(False)  
  
plt.xticks(fontsize=12)  
plt.yticks(fontsize=12)  
  
plt.xlabel("Movie Rating", fontsize=14)  
plt.ylabel("Count", fontsize=14)  
  
plt.hist(df_ratings['rating'], color="#3F5D7D")  

plt.show()

image.png

在标准的机器学习开发流程中，首先需要将数据分为训练集和测试集。测试集用于评估模型。评估推荐系统有多种方法，这会影响如何分割数据。将会使用精确度、召回率和top K f-1评分来评估模型性能（在评估性能部分中进行了解释），因此对userId进行分层分割。对于每个用户，以70:30的比率将电影数据分为“训练集和测试集数据”分割开来。通过Scikit-Learn，可以在一行代码中完成这项工作。

from sklearn.model_selection import train_test_split

df_ratings_train, df_ratings_test= train_test_split(df_ratings, stratify=df_ratings['userId'],andom_state = 15688, test_size=0.30)

print("Number of training data: "+str(len(df_ratings_train)))
print("Number of test data: "+str(len(df_ratings_test)))

print("Number of training data: "+str(len(df_ratings_train)))
print("Number of test data: "+str(len(df_ratings_test)))

image.png

为了让模型学习item embedding，需要从数据中获取“单词”和“句子”等价物。在这里，把每个“电影”看做是一个“词”，并且从用户那里获得相似评级的电影都在同一个“句子”中。
具体来说，“句子”是通过以下过程生成的：为每个用户生成2个列表，分别存储用户“喜欢”和“不喜欢”的电影。第一个列表包含所有的电影评级为4分或以上。第二个列表包含其余的电影。这些列表就是训练gensim word2vec模型的输入了。

def rating_splitter(df):
    df['liked'] = np.where(df['rating']>=4, 1, 0)
    df['movieId'] = df['movieId'].astype('str')
    gp_user_like = df.groupby(['liked', 'userId'])
    return ([gp_user_like.get_group(gp)['movieId'].tolist() for gp in gp_user_like.groups])

pd.options.mode.chained_assignment = None
splitted_movies = rating_splitter(df_ratings_train)

利用Gensim 训练item2vec 的模型

在本节中，我们将把训练数据输入gensim word2vec模块中，调整窗口大小，训练item2vec模型。
对于原来的word2vec，窗口大小会影响我们搜索“上下文”以定义给定单词含义的范围。按照定义，窗口的大小是固定的。但是，在item2vec实现中，电影的“含义”应该由同一列表中的所有邻居捕获。换句话说，我们应该考虑用户“喜欢”的所有电影，以定义这些电影的“含义”。这也适用于用户“不喜欢”的所有电影。然后需要根据每个电影列表的大小更改窗口大小。
为了在不修改gensim模型的底层代码的情况下解决这个问题，首先指定一个非常大的窗口大小，这个窗口大小远远大于训练样本中任何电影列表的长度。然后，在将训练数据输入模型之前对其进行无序处理，因为在使用“邻近”定义电影的“含义”时，电影的顺序没有任何意义。
Gensim模型中的窗口参数实际上是随机动态的。我们指定最大窗口大小，而不是实际使用的窗口大小。尽管上面的解决方法并不理想，但它确实实现了可接受的性能。最好的方法可能是直接修改gensim中的底层代码，但这就超出了我目前的能力范围了，哈哈哈。
在训练模型之前，需要确保gensim是使用C编译器的，运行下面的代码来验证这一点。

import warnings
warnings.filterwarnings(action='ignore',category=UserWarning,module='gensim')

import gensim
assert gensim.models.word2vec.FAST_VERSION>-1

import random
for movie_list in splitted_movies:
    random.shuffle(movie_list)

from gensim.models import Word2vec
import datetime
start = datetime.datetime.now()

model = Word2Vec(Sentences=splitted_movies,iter=5,
min_count=10,
size=200,
workers=4,
sg=1,
hs=0, 
negative = 5, 
window = 9999999)
print("Time passed: " + str(datetime.datetime.now()-start))
#Word2Vec.save('item2vec_20180327')

Time passed: 2:12:26.134283

from gensim.models import Word2Vec
import datetime
start = datetime.datetime.now()
model_w2v_sg = Wrod2Vec(sentences = splitted_moives,
                        iter = 10, # epoch
                        min_count = 5, # a movie has to appear more than 5 times to be keeped
                        size = 300, # size of the hidden layer
                        workers = 4, # specify the number of threads to be used for training
                        sg = 1,
                        hs = 0,
                        negative = 5,
                        window = 9999999)
print("Time passed: " + str(datetime.datetime.now()-start))
model_w2v_sg.save('item2vec_word2vecSg_20180328')
del model_w2v_sg

Time passed: 5:32:50.270232

模型训练完之后，模型可以保存在您的存储中以备将来使用。注意，gensim保存了所有关于模型的信息，包括隐藏的权重、词汇频率和模型的二叉树，因此可以在加载文件后继续训练。然而，这是以运行模型时的内存为代价的，因为它将存储在你的RAM中。如果你只需要隐藏层的权重，它可以从模型中单独提取。下面的代码演示如何保存、加载模型和提取单词向量(embedding)。

推荐系统

一旦模型训练完，就可以使用Gensim中的内置方法来做推荐，真正使用的是gensim.model.wv.most,similar_word（）方法。这些使用的程序将接受用的输入，并将他们呢输入gensim方法中，从中根据对IMDB的搜索推断最可能的电影名称，将它们转换成电影ID。

import requests
import re
from bs4 import BeautifulSoup

def refine_search(search_term):
    target_url = "http://www.imdb.com/find?ref_=nv_sr_fn&q="+"+".join(search_term.split())+"&s=tt"
    html = requests.get(target_url).content
    parsed_html = BeautifulSoup(html, 'html.parser')
    for tag in parsed_html.find_all('td', class_="result_text"):
        search_result = re.findall('fn_tt_tt_1">(.*)</a>(.*)</td>', str(tag))
        if search_result:
            if search_result[0][0].split()[0]=="The":
                str_frac = " ".join(search_result[0][0].split()[1:])+", "+search_result[0][0].split()[0]
                refined_name = str_frac+" "+search_result[0][1].strip()
            else:
                refined_name = search_result[0][0]+" "+search_result[0][1].strip()
    return refined_name

    list_of_movie_id = []
    for movieName in list_of_movieName:
        if useRefineSearch:
            movieName = refine_search(movieName)
            print("Refined Name: "+movieName)
        if movieName in name_to_movieId.keys():
            list_of_movie_id.append(str(name_to_movieId[movieName]))
    return list_of_movie_id

def recommender(positive_list=None, negative_list=None, useRefineSearch=False, topn=20):
    recommend_movie_ls = []
    if positive_list:
        positive_list = produce_list_of_movieId(positive_list, useRefineSearch)
    if negative_list:
        negative_list = produce_list_of_movieId(negative_list, useRefineSearch)
    for movieId, prob in model.wv.most_similar_cosmul(positive=positive_list, negative=negative_list, topn=topn):
        recommend_movie_ls.append(movieId)
    return recommend_movie_ls

给出他/她喜欢迪斯尼电影“Up（2009）”，下面的代码显示了对该用户的最喜欢的前五的推荐结果：

ls = recommender(positive_list=["UP"], useRefineSearch=True, topn=5)
print('Recommendation Result based on "Up (2009)":')
display(df_movies[df_movies['movieId'].isin(ls)])

image.png image.png

再看看更有趣的的，我和我的朋友都喜欢科幻经典小说《“The Matrix (1999)”》。但当谈到昆汀·塔伦蒂诺的标志性作品《Django Unchained (2012)》时，我们有不同的看法。虽然我喜欢荒诞和幽默的讽刺混合，但我的朋友厌恶鲜血和暴力。根据我们的口味，这个模型会推荐什么？把这些数据输入我们的模型，《Men in Black (1997)》和《Ghostbusters (a.k.a Ghost Busters)》都在我朋友的推荐名单上。我有《“Inglourious Basterds (2009)”》《“Inception (2010)”》和《The Dark Knight Rises (2006)》

ls = recommender(positive_list=["The Matrix"], negative_list=["Django Unchained"], useRefineSearch=True, topn=7)
print('Recommendation Result based on "The Matrix (1999)" minus "Django Unchained (2012)":')
display(df_movies[df_movies['movieId'].isin(ls)])

image.png
image.png

ls = recommender(positive_list=["The Matrix", "Django Unchained"], useRefineSearch=True, topn=7)
print('Recommendation Result based on "The Matrix (1999)" + ""Django Unchained (2012)":')
display(df_movies[df_movies['movieId'].isin(ls)])

image.png
image.png