一、LR 模型

1. 在 cost-per-click:CPC 广告中广告主按点击付费。为了最大化平台收入和用户体验，广告平台必须预测广告的 CTR ，称作 predict CTR: pCTR 。对每个用户的每次搜索query，有多个满足条件的广告同时参与竞争。只有 pCTR x bid price 最大的广告才能竞争获胜，从而最大化 eCPM ：

   

   基于最大似然准则可以通过广告的历史表现得统计来计算 pCTR 。假设广告曝光了 100次，其中发生点击 5 次，则 pCTR = 5%。其背后的假设是：忽略表现出周期性行为或者不一致行为的广告，随着广告的不断曝光每个广告都会收敛到一个潜在的真实点击率 。

   这种计算 pCTR 的方式对于新广告或者刚刚投放的广告问题较大：

   • 新广告没有历史投放信息，其曝光和点击的次数均为 0 。

   • 刚刚投放的广告，曝光次数和点击次数都很低，因此这种方式计算的 pCTR 波动非常大。

     如：一个真实 CTR 为 5% 的广告必须曝光 1000次才有 85% 的信心认为 pCTR 与真实 CTR 的绝对误差在1% 以内。真实点击率越低，则要求的曝光次数越多。

   为解决这个问题，论文 《Predicting Clicks: Estimating the Click-Through Rate for New Ads》 提出利用 LR 模型来预测新广告的CTR。

2. 从经验上来看：广告在页面上的位置越靠后，用户浏览它的概率越低。因此广告被点击的概率取决于两个因素：广告被浏览的概率、广告浏览后被点击的概率。

   因此有：

   

   假设：

   • 在广告被浏览（即：曝光）到的情况下，广告被点击的概率与其位置无关，仅与广告内容有关。

   • 广告被浏览的概率与广告内容无关，仅与广告位置有关。

     广告可能被拉取（推送到用户的页面），但是可能未被曝光（未被用户浏览到）。

   则有：

   

   • 第一项 就是我们关注和预测的 CTR 。

   • 第二项与广告无关，是广告位置（即：广告位）的固有属性。

     可以通过经验来估计这一项：统计该广告位的总拉取次数 ，以及总曝光次数 ，则：

     

     这也称作广告位的曝光拉取比。

1.1 数据集构造

1. 通常广告主会为一个订单 order 给出多个竞价词 term，如：

   Title: Buy shoes now,
   Text: Shop at our discount shoe warehouse!
   Url: shoes.com
   Terms: {buy shoes, shoes, cheap shoes}.

   此时广告系统会为每个竞价 Term 生成一个广告，每个广告对应相同的Title/Text/Url、但是不同的竞价 Term 。

2. 数据集包含 1万个广告主，超过 1百万个广告、超过 50万竞价词（去重之后超过 10万个竞价词）。

   • 样本的特征从广告基本属性中抽取（抽取方式参考后续小节）。广告的基本属性包括：

     • landing page 落地页：点击广告之后将要跳转的页面的 url
     • bid term：广告的竞价词
     • title：广告标题
     • body：广告的内容正文
     • display url：位于广告底部的、给用户展示的 url

   • 将每个广告的真实点击率 CTR 来作为 label 。

     考虑到真实点击率 CTR 无法计算，因此根据每个广告的累计曝光次数、累计点击次数从而得到其经验点击率 来作为 CTR 。

3. 为了防止信息泄露，训练集、验证集、测试集按照广告主维度来拆分。最终训练集包含 70% 广告主、验证集包含 10% 广告主、测试集包含 20% 广告主。每个广告主随机选择它的 1000 个广告，从而确保足够的多样性。

   因为同一个广告主的广告之间的内容、素材、风格相似度比较高，点击率也比较接近。

4. 对于有专业投放管理的那些优质广告主，在数据集中剔除它们。因为：

   • 优质广告主的广告通常表现出不同于普通广告主的行为：

     • 两种广告主的广告具有不同的平均点击率
     • 优质广告主的广告的点击率方差较低（表现比较稳定）、普通广告主的广告的点击率方差较高（表现波动大）
   • 广告平台更关注于普通广告主，因为这些普通广告主的数量远远超过优质广告主的数量，而且这些普通广告主更需要平台的帮助。

5. 对于曝光量少于100的广告，在数据集中剔除它们。因为我们使用经验点击率 来近似真实 CTR 来作为 label ，对于曝光次数较少的广告二者可能相差很远，这将导致整个训练和测试过程中产生大量噪音。

   曝光阈值的选取不能太大，也不能太小：

   • 阈值太小，则导致 label 中的噪音太多。
   • 阈值太大，则离线训练样本（大曝光的广告）和在线应用环境（大量新广告和小曝光广告）存在gap，导致在线预测效果较差。

1.2 LR模型

1. 论文将 CTR 预估问题视作一个回归问题，采用逻辑回归 LR 模型来建模，因为 LR 模型的输出是在 0 到 1 之间。

   

   其中 表示从广告中抽取的第 个特征（如广告标题的单词数量）， 为该特征对应的权重。采用负号的原因是使得权重、特征和 pCTR 正相关：权重越大则 pCTR 越大。

   • 模型通过 limited-memory Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno:L-BFGS 算法来训练。

   • 模型的损失函数为交叉熵：

     

   • 权重通过均值为零、方差为 的高斯分布来随机初始化。其中 为超参数，其取值集合为 [0.01,0.03,0.1,0.3,1,3,10,30,100]，并通过验证集来选取最佳的值。

     通过实验发现， 的效果最好。

2. 论文采取了一些通用的特征预处理方法：

   • 模型添加了一个bias feature，该特征的取值恒定为 1。即：将偏置项 视为 。

     

   • 对于每个特征 ，人工构造额外的两个非线性特征：：， 。加 1 是防止 取值为 0 。

   • 对所有特征执行标准化，标准化为均值为0、方差为1 。

     注意：对于验证集、测试集的标准化过程中，每个特征的均值、方差使用训练集上的结果。

   • 对所有特征执行异常值截断：对于每个特征，任何超过均值 5 个标准差的量都被截断为 5 个标准差。

     如：特征 的均值为 20，方差为 2 。则该特征上任何大于30 的值被截断为 30、任何小于 10 的值被截断为 10 。

     注意：对于验证集、测试集的异常值截断过程中，每个特征的均值、方差使用训练集上的结果。

3. 评价标准：

   • baseline ：采用训练集所有广告的平均 CTR 作为测试集所有广告的 pCTR 。

     即：测试集里无论哪个广告，都预测其 CTR 为一个固定值，该值就是训练集所有广告的平均 CTR 。

   • 评估指标：测试集上每个广告的 pCTR 和真实点击率的平均 KL 散度。

     

     KL 散度衡量了 和真实点击率之间的偏离程度。一个理想的模型，其 KL 散度为 0 ，表示预估点击率和真实点击率完全匹配。

     为了更好的进行指标比较，论文实验中也给出了测试集的 MSE （均方误差）指标。

4. 模型不仅可以用于预测新广告的 pCTR ，还可以为客户提供优化广告的建议。

   可以根据模型特征及其重要性来给广告主提供创建广告的建议，如：广告标题太短建议增加长度。

1.3 特征工程

1.3.1 Term CTR Feature Set

1. 不同竞价词的平均点击率存在明显的差异，因此在预测某个广告的点击率时，相同竞价词的其它类似广告可能有所帮助。

   因此论文对此提出两个特征，称作相同竞价词特征集 Term CTR Feature Set 。

   对于广告 ad 的竞价词 term （记作 )

   • 针对该 term 竞价的其它广告主所有广告的数量：

     

     由于同一个广告主的不同广告之间相关性比较强，因此这里用其它广告主的广告作为特征来源。否则容易出现信息泄露。

   • 针对该 term 竞价的其它广告主的广告点击率（经过归一化）：

     

     其中：

     • 是训练集上所有广告的平均点击率

     • 是针对该 term 竞价的其它广告主所有广告的数量

     • 是针对该 term 竞价的其它广告主所有广告的平均点击率

     • 是平滑系数，为了防止某些新的 term 出现导致 。如果不采取平滑，则有 。

       代表了term 竞价的广告数量的先验强度，默认取值为 1 。

       实验发现，结果对 的取值不敏感。

   模型新增这两个特征的实验结果如下图所示，可见 term ctr feature set 使得评估指标 “平均 KL 散度” 提升了 13.28%。

   

1.3.2 Related Term CTR Feature Set

1. 预测某个广告的点击率时，相关竞价词的其它类似广告可能也有所帮助。

   如：广告 a 的竞价词是 电脑，广告 b 的竞价词是 买电脑，则广告 b 的点击率对于预测广告 a 的点击率是有帮助的。

2. 考虑竞价词的子集/超集。

   给定一个竞价词 t，定义其相关广告集合为 （一个竞价词term 可能包含多个单词word，这里不考虑word 之间的词序）：

   

   如：t 是 red shoes

   • 如果广告的竞价词是buy red shoes，则该广告属于t 的
   • 如果广告的竞价词是 shoes，则该广告属于 t 的
   • 如果广告的竞价词是red shoes，则该广告属于t 的
   • 如果广告的竞价词是blue shoes，则该广告属于t 的

3. 由 的定义可知：

   • 广告集合 代表广告的竞价 term 和 t 完全匹配。
   • 广告集合 代表广告的竞价 term 比 t 少了 个单词之外其它单词完全相同（不考虑词序）。
   • 广告集合 代表广告的竞价 term 比 t 多了 个单词之外其它单词完全相同（不考虑词序）。

   假设 * 为任意数值，则定义：

   • 表示 t 的任何超集（不考虑词序）作为竞价term 的广告的集合。
   • 表示 t 的任何子集（不考虑词序）作为竞价term 的广告的集合。

4. 定义相关竞价词的一组特征，它们称为相关竞价词特征集 Related Term CTR Feature Set：

   • 在 term 相关的竞价词上竞价的其它广告主所有广告的数量：

     

   • 在 term 相关的竞价词上竞价的其它广告主所有广告的平均点击率:

     

     其中 表示广告 x 的真实点击率。

     和 Term CTR Feature Set 一样，这里也采用平滑：

     

     其中 表示平滑系数。

   论文中采取了 一共 5x5=25 种组合，得到 25 x 2 =50 个 related term ctr特征。测试集的 “平均 KL 散度” 表明：采用这一组特征之后，取得了接近 20% 的提升。

   

1.3.3 Ad Quality Feature Set

1. 即使是同一个竞价term，不同广告的点击率也存在显著差异。从经验来看，至少有五种粗略的要素影响用户是否点击：

   • 外观 Appearance：外观是否美观。

   • 吸引力 Attention Capture：广告是否吸引眼球。

   • 声誉 Reputation：广告主是否知名品牌。

   • 落地页质量 Landing page quality：点击广告之后的落地页是否高质量。

     虽然用户只有点击之后才能看到落地页，但是我们假设这些落地页是用户熟悉的广告主（如 ebay, amazon ），因此用户在点击之前就已经熟知落地页的信息。

   • 相关性 Relevance：广告与用户 query 词是否相关。

   针对每个要素，论文给出一些特征：

   • 外观Appearance：

     • 广告标题包含多少个单词
     • 广告标题是在广告体内还是在广告体外
     • 标题是否正确的大小写首字母
     • 广告标题是否包含了太多的感叹号、美元符号或其它标点符号
     • 广告标题用的是短词还是长词

   • 吸引力 Attention Capture：

     • 标题是否包含暗示着转化的单词，如购买 buy、加入join、订阅subscribe 等等
     • 这些转化词是否出现在广告体内还是广告体外
     • 标题是否包含数字（如折扣率，价格等）

   • 声誉Reputation：

     • 底部展示的 URL 是否以 .com/.net/.org/.edu 结尾

     • 底部展示的的 url 多长

     • 底部展示的url 分为几个部分

       如 books.com 只有两部分，它比 books.something.com 更好

     • 底部展示的url 是否包含破折号或者数字

     因为好的、短的 .com 域名比较贵，因此 url 体现了广告主的实力。

   • 落地页质量Landing page quality：

     • 落地页是否包含 flash
     • 落地页页面哪部分采用大图
     • 落地页是否符合 W3C
     • 落地页是否使用样式表
     • 落地页是否弹出广告

   • 相关性 Relevance：

     • 竞价词是否出现在标题
     • 竞价词的一部分是否出现在标题
     • 竞价词或者竞价词的一部分是否出现在广告体内
     • 如果出现，则竞价词或者竞价词的一部分占据广告体的几分之一

   最终在这 5 个因素种抽取了 81 个特征。

2. 某些特征可以出现在多个要素里，如：广告内容中美元符号数量。该特征可能会增加吸引力，但是会降低外观。

3. 除了以上5个内容要素，还有一个重要的内容要素：广告文本的单词。

   我们统计广告标题和正文中出现的 top 10000 个单词，将这1万个单词出现与否作为 unigram 特征。因为某些单词更容易吸引用户点击，因此unigram 特征能够弥补注意力要素遗漏的特征。

   注意：构造特征时，标题和正文的 unigram 分别进行构造。即：单词是否出现在标题中、单词是否出现在正文中。

   如下所示：单词 shipping 更倾向于在高 CTR 广告中出现，这意味着 shipping 更容易吸引用户点击。图中的三条曲线从上到下依次代表：

   • 每个单词在高 CTR 广告中出现的平均频次
   • 每个单词在所有广告中出现的平均频次
   • 每个单词在低 CTR 广告中出现的平均频次

   

4. 以上5个内容要素，以及 unigram 特征一起构成了广告质量特征集 Ad Quality Feature Set。结果表明：

   • 该组特征能够显著提升性能，将测试集的 “平均 KL 散度” 提升约 3.8 % 。

   • 考虑去掉 unigram 特征，结果表明：

     • 仅仅 5 个因素的 81 个特征能够提升约 1.1 %
     • unigram 特征能够提升约 2.7 %

   

1.3.4 Order Specificity Feature Set

1. 有的订单定向比较窄。如：

   Title: Buy shoes now,
   Text: Shop at our discount shoe warehouse!
   Url: shoes.com
   Terms: {buy shoes, shoes, cheap shoes}.

   该订单的竞价词都和 shoes 相关，定向比较狭窄。

   而有的订单定向比较宽，如：

   Title: Buy [term] now,
   Text: Shop at our discount warehouse!
   Url: store.com
   Terms: {shoes, TVs, grass, paint}.

   该订单的竞价词不仅包含shoes，还包括 TV、grass 等等。

   我们预期：定向越宽的订单，其平均CTR 越低；定向越窄的订单，其平均CTR 越高。

2. 为了考虑捕捉同一个订单内不同广告的联系，论文提出了订单维度特征集 Order Specificity Feature Set 。

   • 同一个订单中，去重之后不同竞价词term 的数量。

     

   • 同一个订单中，竞价词 term 的类别分布。分布越集中，定向越窄；分布越分散，定向越宽。

     • 利用搜索引擎搜索每个竞价词 term ，并通过文本分类算法对搜索结果进行分类，将每个竞价词term 划分到 74 个类别中。
     • 计算每个订单的竞价词term 的类别熵，并将类别熵作为特征。

   采用该特征集之后，测试集的 “平均 KL 散度” 提升约 5.5 % 。

   

1.3.5 Search Data Feature Set

1. 事实上可以通过使用外部数据来构造特征。

   如：给定一个竞价词term，可以通维基百科来判断它是否是一个众所周知的词，也可以通过同义词词库来查找其同义词等等。

   因此构建外部搜索数据特征集 Search Data Feature Set，其中包括：

   • 每个竞价词term，网络上该 term 出现的频率。

     这可以利用搜索引擎的搜索结果中包含该 term 的网页数量来初略估计。

   • 每个竞价词term，搜索引擎的query 中出现该term 的频率。

     这可以用近三个月搜索引擎的搜索日志中，query 里出现该 term 的数量来粗略估计。

   这两个特征离散化为 20 个桶，仔细划分桶边界使得每个桶具有相同数量的广告。

   单独采用该特征集之后，测试集的 “平均 KL 散度” 提升约 3.1 % 。但是融合了前面提到的特征之后没有任何改进，这意味着该特征集相比前面的几个特征集是冗余的。

   

1.3.6 更多特征

1. 当独立的考虑每个feature set 时，测试集的 “平均 KL 散度” 提升效果如下：

   • related term ctr feature set：19.67%
   • ad quality feature set：12.0%
   • unigram features along：10.2%
   • order specificity feature set：8.9%
   • search data feature set ：3.1%

2. 有几个特征探索方向：

   • 可以将广告的竞价词 term 进行聚类，从而提供广告之间的关系。这是从语义上分析竞价词term 的相似性。这组特征称作 Related Term Feature Set 。

   • 可以基于用户的 query 来构造特征。

     在完全匹配条件下竞价词和用户搜索词完全相同，但是在更宽松的匹配下竞价词和搜索词可能存在某种更广义的关联。此时了解搜索词的内容有助于预测广告的点击率。

     因此可以基于用户的搜索词 query term 来构建特征，如： query term 和 bid term 相似度、 query term 的单词数、query term 出现在广告标题/广告正文/落地页的频次。

   • 可以将落地页的静态排名和动态排名信息加入特征。如：用户访问落地页或者域名的频率、用户在落地页停留的时间、用户在落地页是否点击回退等等。

3. 一个推荐的做法是：在模型中包含尽可能多的特征。这带来两个好处：

   • 更多的特征带来更多的信息，从而帮助模型对于广告点击率预测的更准。

   • 更多的特征带来一定的冗余度，可以防止对抗攻击。

     广告主有动力来攻击特征来欺骗模型，从而提升广告的 pCTR ，使得他的广告每次排名都靠前。

     假设模型只有一个特征，该特征是 ”竞价词term 是否出现在标题“ 。广告主可以刻意将竞价词放置到广告标题，从而骗取较高的 pCTR 。

     一旦模型有多个特征，那么广告主必须同时攻击这些特征才能够欺骗模型。这种难度要大得多。

1.4 特征重要性

1. 由于模型采用逻辑回归，因此可以直观的通过模型权重看到哪些特征具有最高权重、哪些特征具有最低权重。

   模型的top 10 和 bottom 10 权重对应的特征如下：

   

2. 特征的权重不一定直接表示其重要性，因为特征之间不是独立的。

   假设有一个重要的特征是文本中每个单词的平均长度（即：平均多少个字符） ，但我们并没有直接给出这个特征，而是给出相关的两个特征：文本总字符数 、文本总单词数 。那么我们会发现：特征 具有一个较大的正权重、特征 有一个较大的负权重。

   因为 ，所以特征 和特征 正相关，而特征 和特征 负相关。

3. 在 unigram features 中，top 10 和 bottom 10 权重对应的特征如下。

   可以看到：

   • 排在前面的是更为成熟established 的实体词，如 official,direct,latest,version
   • 排在后面的是更为吸引眼球的实体词，如 quotes, trial, deals, gift, compare

   从经验上看：用户似乎更愿意点击声誉更好的、更成熟的广告，而不愿意点击免费试用、优惠类的广告。

   

1.5 曝光量

1. 假设模型能准确预估广告的点击率，一个问题是：广告经过多少次曝光之后，观察到的点击率和预估的点击率接近。

   定义观察到的点击率为：

   

   定义预测的点击率为：

   

   其中：

   • 是广告的曝光次数， 为广告的点击次数， 为先验CTR， 是先验曝光次数。

   • 是模型预估得到的 pCTR ，而 是一个超参数。

   • 是结合了模型预估的 pCTR 和广告已经产生的曝光、点击之后，预测的点击率。

     模型预测的 pCTR 没有考虑广告当前的曝光、点击，因此需要修正。

   定义期望绝对损失 expected absolute error:EAE：

   

   其中： 表示给定曝光的条件下，点击click 次的概率。它通过统计其它广告得到。

   EAE 刻画了在不同曝光量的条件下，模型给出的 和 CTR 的绝对误差。这和模型优化目标平均KL 散度不同。

2. baseline 和 LR 模型的 EAE 结果如下所示。可以看到：

   • 在广告的曝光量超过 100时，baseline 和 LR 模型的 EAE 几乎相同。
   • 在广告的曝光量小于 50 时，LR 模型的EAE 更低。

   因此模型对于曝光量100以内的广告具有明显优势。这也是前面预处理将 100 次曝光作为阈值截断的原因。

   对于百万级别广告的广告系统，如果在广告曝光的前100次期间对广告的CTR 预估不准，则导致这些广告以错误的顺序展示，从而导致收入减少和用户体验下降。

   

3. 预处理选择 100 次曝光作为截断阈值，是希望样本的观察 CTR 具有合理的置信水平。

   事实上有一些广告系统更关注于曝光量更大的广告，希望对这些广告能够预测更准确。更大曝光量意味着label 中更少的噪音，模型会学习得效果更好。

   但是这也意味着广告样本不包含那些被系统判定为低价值的广告，因为系统没有给这些低价值广告足够多的曝光机会。

   当曝光阈值提升到 1000次时，模型效果如下。可以看到：曝光量超过1000的广告比曝光量100的广告，模型预测效果（以测试集的平均KL 散度为指标）提升了 40%左右（ (41.88-29.47)/29.47 ）。