Collaborative Filtering 算法介绍

Collaborative Filtering 定义

•Collaborative Filtering (CF) is the most well-known technique for recommendation.

“CF makes predictions (ﬁltering) about a user’s interest by collecting preferences information from many users (collaborating)” ---Wikipedia

从相似的用户（物品），来预测、过滤用户的兴趣。

•数学形式化: 矩阵补全问题

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基于共现关系的 Collaborative Filtering 算法

**User-based CF **

•多⽤于挖掘那些有共同兴趣的⼩团体，通常新颖性较好，但是准确性稍差

Item-based CF

•侧重于挖掘item之间的关系，然后根据⽤户的历史⾏为来为⽤户⽣成推荐列表

•相⽐user-based⽅法，item-based 的应⽤更为⼴泛

综合上述问题，在冷启动的问题中，一般来说，Item-based CF会更好

1、相似度：余弦距离

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$Similarity(\vec{A}, \vec{B})=\cos (\vec{A}, \vec{B})=\frac{\vec{A} \bullet \vec{B}}{\|\vec{A}\|^{*}\|\vec{B}\|}$
2、用户商品倒排表

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用来加速计算User-CF分子，构造用户-商品倒排表即可，只对有效的pair进行计算，从而简化计算。

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$p_{u j}=\sum_{i \in N(u) \cap S(j, K)} w_{j i} r_{u i}$

UserCF、ItemCF 优缺点对比

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基于ItemCF的推荐算法调⽤⽰意图

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最新 CF算法实践

Item CF 算法最新实践

•改进版 I2I

•motivation：热门⽤户、哈利波特效应、⽤户⾏为缺乏考虑

•solution：热门⽤户降权、热门Item降权

•实时I2I

•motivation：新品推荐问题

•Solution：实时增量i2i

•Hybrid I2I

•motivation：⽆监督学习，⽆法刻画场景差异

•solution：有监督Hybrid多种i2i算法

改进版I2I

降低热门⽤户影响
$w_{i j}=\frac{\sum_{u \in N(i) \bigcap N(j)} \frac{1}{\log 1+|N(u)|}}{\sqrt{|N(i)||N(j)|}}$
分子是两个向量的内积，贡献的数量。

缓解哈利波特效应

所有人都会买哈利波特，其他产品会经常推荐热门的产品。调低后，就不在重视他本身的热门度。
$w_{i j}=\frac{|N(i) \cap N(j)|}{|N(i)|^{ |-\alpha}|N(j)|^{\alpha}}$

综合考虑：1、⽤户⾏为差 2、热门⽤户降权
$\operatorname{Sim}\left(\mathrm{I}_{\mathrm{i}}, \mathrm{I_j}\right)=\frac{\sum_{\mathrm{u} \in \mathrm{U}_{\mathrm{i}} \cap \mathrm{U}_{j}} \mathrm{W}_{\mathrm{u}}^{2} /\left(1+\delta\left(a b s\left(t_{u i}-t_{u j}\right)\right)\right)}{\sqrt{\sum_{\mathrm{u} \in \mathrm{U}\left(\mathrm{I}_{\mathrm{i}}\right)} \mathrm{W}_{\mathrm{u}}^{2}} \sqrt{\sum_{\mathrm{u} \in \mathrm{U}\left(\mathrm{I}_{\mathrm{j}}\right)} \mathrm{W}_{\mathrm{u}}^{2}}}$

$\mathrm{W}_{\mathrm{u}}=\frac{1}{\log _{2}\left(3+\mathrm{q}_{\mathrm{u}}\right)}$

实时I2I（腾讯2015)
$\operatorname{sim}\left(i_{p}, i_{q}\right)=\frac{\text { pairCount }\left(i_{p}, i_{q}\right)}{\sqrt{\text { itemCount }\left(i_{p}\right)} \sqrt{\text { itemCount }\left(i_{q}\right)}}$

where
$\left(i_{p}\right)=\sum r_{u, p}$

$\left(i_{p}, i_{q}\right)=\sum_{u \in U} \mathrm{co-rating}\left(i_{p}, i_{q}\right)$

$\operatorname{sim}\left(i_{p}, i_{q}\right)^{\prime}=\frac{\operatorname{pairCount}\left(i_{p}, i_{q}\right)^{\prime}}{\sqrt{\text { item Count }\left(i_{p}\right)^{\prime}} \sqrt{\text { item Count }\left(i_{q}\right)^{\prime}}}$

$=\frac{\text { pairCount }\left(i_{p}, i_{q}\right)+\Delta \operatorname{co-rating}\left(i_{p}, i_{q}\right)}{\sqrt{\text { itemCount }\left(i_{p}\right)+\Delta r_{u_{p}}} \sqrt{\text { item Count }\left(i_{q}\right)+\Delta r_{u_{q}}}}$

TencentRec: Real-time Stream Recommendation in Practic

http://net.pku.edu.cn/~cuibin/Papers/2015SIGMOD-tencentRec.pdf

Hybrid i2i——Learning to Rank

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Learning to Rank for Information Retrieval，Tie-Yan Liu

https://www.cda.cn/uploadfile/image/20151220/20151220115436_46293.pdf

Hybrid i2i 算法架构

•利⽤LTR的思想重构i2i（以短视频推荐为例）

•Feature

•Trigger-item Relavance: i2i_score/favor2favor sim/text sim…

•Item Feature: video_ctr、video_pv、video_comment、

•Trigger Feature: trigger_ctr、topic_ctr

•Model

•Loss：Pairwise Loss，同时优化CTR、LikeR、FavorR •Lambdamart/Neural Nets

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Learning To Rank之LambdaMART的前世今生

https://blog.csdn.net/huagong_adu/article/details/40710305

思考题
A.买了还推怎么解决？

B.推荐过于同质化怎么解决？

C.搭配推荐该如何做

Model Based CF 演变历程

Model Based CF 问题定义

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Deep Learning for Matching in Search and Recommendation,
Jun Xu Chinese Academy of Sciences
Xiangnan He National University of Singapore
Hang Li Bytedance AI La

Model Based CF算法（SVD）

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SVD is Suboptimal for CF

•⼏个缺点

•Missing data和观测到的数据权重相同(>99% 稀疏性)

•没有正则项，容易过拟

强大的矩阵奇异值分解(SVD)及其应用

Model Based CF算法（Adjust SVD)

The “SVD” model in the context of recommendation:

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•Matrix Factorization (MF) 推荐算法

•⽤latent vector来表⽰user和item(ID embedding)

•组合关系⽤内积 inner product (衡量user对于某⼀类商品的偏好）

Matrix Factorization Techniques for Recommender Systems, Koren, 2009

Factored Item Similarity Model

•MF ⽤UserID来表⽰⽤户

•可以叫做 user-based CF (i.e., ﬁnd similar users for recom)

•另外⼀种做法是⽤⽤户评价过的item来表⽰⽤户

•可以叫做 item-based CF (i.e., ﬁnd similar items for recom)

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FISM: Factored Item Similarity Models for Top-N Recommender Systems

SVD++: Fusing User-based and Item-based CF

•MF (user-based CF) ⽤UserID来表⽰⽤户

•直接映射ID到隐空间

•FISM (item-based CF) ⽤⽤户评价的item来表⽰⽤户

•映射items到隐空间

•SVD++ 混合了两种想法

•Netﬂix 百万⼤奖⽐赛单模型最佳

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FactorizationMeetstheNeighborhood: aMultifaceted CollaborativeFilteringModel

如何融⼊更多的信息(Side Info)

•CF 只⽤交互矩阵来build模型

•如何利⽤ user/item 属性和上下⽂?

•Side info 实例

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Generic Feature-based Recommendation

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FM: Factorization Machines

•FM 受到前⾯所有的分解模型的启发

•每个特征都表⽰成embedding vector，并且构造⼆阶关系

•FM 允许更多的特征⼯程，并且可以表⽰之前所有模型为特殊的FM（⼤家思考⼀下）

– E.g.,MF,SVD++,timeSVD(Koren,KDD’09),PITF(Rendle,WSDM’10)etc.

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Factorization Machines

Rating Prediction is Suboptimal

之前的⼯作都在优化L2 loss

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– 很多证据表明
⼀个低MSE模型不⼀定代表排序效果好。。

– Possible Reasons:

均⽅误差(e.g., RMSE) and 排序指标之间的分歧
观察有偏 – ⽤户总是去对喜欢的电影打分

Towards Top-N Recommendation

•现在的⼯作开始逐步朝着优化pairwise ranking loss •Known as the Bayesian Personalized Ranking loss (Rendle, UAI’09). 优化相对序关系，⽽不是优化绝对值

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下节预告

Deep Collaborative Filtering Model

•Methods of representation learning

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•Methods of matching function learning

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BAT搜索推荐核⼼系统架构（2018）

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⼈⼯智能在淘宝搜索中的应⽤ https://www.sohu.com/a/212035397_612370

实践：Movielens上的MF实战 (TensorFlow)

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其他参考资料

•ItemBased Collaborative Filtering Recommendation Algorithms

•Amazon.com recommendations: Item-to-Item Collaborative Filtering

•推荐系统实战.项亮 http://vdisk.weibo.com/s/aSXlSkLAQjzMT

•天猫推荐业务与算法架构.张奇.2013. http://topic.it168.com/factory/adc2013/ doc/zhangqi.pdf

•淘宝搜索技术演变 https://mp.weixin.qq.com/s/jUQHnATSiOpKfDeY_vQ6YA

•淘宝⽹的推荐算法具体是怎么样的？ - xiao ma的回答 - 知乎 https:// www.zhihu.com/question/29108284/answer/43247127

•双⼗⼀⼿淘⾸页个性分享 https://mp.weixin.qq.com/s/vpxLTcwenvlIvj5D-8uolg

•淘宝天猫个性化推荐技术演进史 https://blog.csdn.net/broadview2006/article/ details/71455437

•深度解析京东个性化推荐系统演进史 https://blog.csdn.net/qq_40027052/ article/details/78733365

•今⽇头条推荐算法原理 http://www.sohu.com/a/217314007_297710

数据和代码汇总

阿⾥天池数据集合https://tianchi.aliyun.com/datalab/index.htm?spm=5176.100073.0.0.21316fc1Q34jZU

•CTR预估代码汇总 https://github.com/shenweichen/DeepCTR

•CTR-CVR相关模型 https://arxiv.org/abs/1804.07931

•随⼿看到的LTR代码：https://github.com/shiba24/learning2rank

课后作业

运⾏MF的movielens notebook，⽤notebook，改改⽹络结构，找到调模型感觉

•学会使⽤Google、Github搜索引擎解决问题、查找论⽂和代码

•熟悉天池数据平台，了解如何使⽤更贴近⼯业界的数据

预习资料

•2013 微软：Learning Deep Structured Semantic Models for Web Search using Clickthrough Data https://www.microsoft.com/en-us/research/wp-content/uploads/2016/02/cikm2013_DSSM_fullversion.pdf

•2016 Youtube ：Deep Neural Networks for YouTube Recommendations https://research.google.com/pubs/archive/45530.pdf

•解读 Airbnb KDD2018 best paper: Embeddings at Airbnb - 吴海波的⽂章 - 知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/49537461

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