三、FM模型

1. 推荐系统面临的问题是评分预测问题。给定用户集合 、物品集合 ，模型是一个评分函数：

   

   表示用户 对物品 的评分。

   其中已知部分用户在部分物品上的评分： 。目标是求解剩余用户在剩余物品上的评分：

   

   其中 为 的补集。

   • 通常评分问题是一个回归问题，模型预测结果是评分的大小。此时损失函数采用MAE/MSE 等等。

     也可以将其作为一个分类问题，模型预测结果是各评级的概率。此时损失函数是交叉熵。

   • 当评分只有 0 和 1 时，这表示用户对商品 “喜欢/不喜欢”，或者 “点击/不点击”。这就是典型的点击率预估问题。

2. 事实上除了已知部分用户在部分物品上的评分之外，通常还能够知道一些有助于影响评分的额外信息。如：用户画像、用户行为序列等等。这些信息称作上下文 context 。

   对每一种上下文，我们用变量 来表示， 为该上下文的取值集合。假设所有的上下文为 ，则模型为：

   

   上下文的下标从 3 开始，因为可以任务用户 和商品 也是上下文的一种。

   如下图所示为评分矩阵，其中：

   

   所有离散特征都经过特征转换。

   

3. 上下文特征 context 类似属性 property 特征，它和属性特征的区别在于：

   • 属性特征是作用到整个用户（用户属性）或者整个物品（物品属性），其粒度是用户级别或者物品级别。

     如：无论用户 “张三” 在在评分矩阵中出现多少次，其性别属性不会发生改变。

   • 上下文特征是作用到用户的单个评分事件上，粒度是事件级别，包含的评分信息更充足。

     如：用户 ”张三“ 在评价某个电影之前已经看过的电影，该属性会动态改变。

   事实上属性特征也称作静态画像，上下文特征也称作动态画像。业界主流的做法是：融合静态画像和动态画像。

   另外，业界的经验表明：动态画像对于效果的提升远远超出静态画像。

3.1 模型

1. Multiverse Recommendation 基于矩阵分解技术求解该问题，它将原始的评分矩阵分解为一个小的矩阵 和 个因子矩阵 ：

   

   其中：

   

   这种方式存在三个问题：

   • 计算复杂度太高：假设每个特征的维度都是 ，则计算复杂度为 。一旦上下文特征数量 增加，则计算复杂度指数型增长。
   • 仅能对离散型 categorical 上下文特征建模：无法处理数值型特征、离散集合型 categorical set 特征。
   • 交叉特征高度稀疏：这里执行的是 K 路特征交叉（前面的 POLY2 模型是两路特征交叉），由于真实应用场景中单个特征本身就已经很稀疏，K 路特征交叉使得数据更加稀疏，难以准确的预估模型参数。

2. Fast Context-aware Recommendations with Factorization Machines 论文提出了 FM 算法来解决该问题。

   和 POLY2 相同FM 也是对二路特征交叉进行建模，但是FM 的参数要比 POLY2 少得多。

   将样本重写为：

   

   则 FM 模型为：

   

   其中 是交叉特征的参数，它由一组参数定义：

   

   即：

   

   模型待求解的参数为：

   

   其中：

   • 表示全局偏差
   • 用于捕捉第 个特征和目标之间的关系
   • 用于捕捉 二路交叉特征和目标之间的关系。
   • 代表特征 的representation vector，它是 的第 列。

3. FM 模型的计算复杂度为 ，但是经过数学转换之后其计算复杂度可以降低到 ：

   

   因此有：

   

   其计算复杂度为 。

4. FM 模型可以用于求解分类问题（预测各评级的概率），也可以用于求解回归问题（预测各评分大小）。

   • 对于回归问题，其损失函数为MSE 均方误差：

     

   • 对于二分类问题，其损失函数为交叉熵：

     

     其中：

     • 评级集合为 一共两个等级
     • 为样本 预测为评级 的概率，满足：

   

   损失函数最后一项是正则化项，为了防止过拟合， 。其中 为参数 的正则化系数，它是模型的超参数。

   可以针对每个参数配置一个正则化系数，但是选择合适的值需要进行大量的超参数选择。论文推荐进行统一配置：

   • 对于 ，正则化系数为 ，这表示不需要对全局偏差进行正则化。
   • 对于 ，统一配置正则化系数为
   • 对于 ，统一配置正则化系数为

5. FM 模型可以处理不同类型的特征：

   • 离散型特征 categorical：FM 对离散型特征执行 one-hot 编码。

     如，性别特征：“男” 编码为 (0,1)，“女” 编码为 (1,0) 。

   • 离散集合特征 categorical set：FM 对离散集合特征执行类似 one-hot 的形式，但是执行样本级别的归一化。

     如，看过的历史电影。假设电影集合为：“速度激情9，战狼，泰囧，流浪地球”。如果一个人看过 “战狼，泰囧，流浪地球”， 则编码为 (0,0.33333,0.33333,0.33333) 。

   • 数值型特征 real valued：FM直接使用数值型特征，不做任何编码转换。

6. FM 的优势：

   • 给定特征 representation 向量的维度时，预测期间计算复杂度是线性的。

   • 在交叉特征高度稀疏的情况下，参数仍然能够估计。

     因为交叉特征的参数不仅仅依赖于这个交叉特征，还依赖于所有相关的交叉特征。这相当于增强了有效的学习数据。

   • 能够泛化到未被观察到的交叉特征。

     设交叉特征 “看过电影 A 且 年龄等于20” 从未在训练集中出现，但出现了 “看过电影 A”相关的交叉特征、以及 “年龄等于20”相关的交叉特征。

     于是可以从这些交叉特征中分别学习 “看过电影 A” 的 representation 、“年龄等于20” 的 representation，最终泛化到这个未被观察到的交叉特征。

3.2 ALS 优化算法

3.2.1 最优化解

1. FM 的目标函数最优化可以直接采用随机梯度下降 SGD 算法求解，但是采用 SGD 有个严重的问题：需要选择一个合适的学习率。

   • 学习率必须足够大，从而使得 SGD 能够尽快的收敛。学习率太小则收敛速度太慢。

   • 学习率必须足够小，从而使得梯度下降的方向尽可能朝着极小值的方向。

     由于 SGD 计算的梯度是真实梯度的估计值，引入了噪音。较大的学习率会放大噪音的影响，使得前进的方向不再是极小值的方向。

   论文提出了一种新的交替最小二乘 alternating least square:ALS 算法来求解 FM 目标函数的最优化问题。

   与 SGD 相比ALS 优点在于无需设定学习率，因此调参过程更简单。

2. 根据定义：

   

   对每个 ，可以将 分解为 的线性部分和偏置部分：

   

   其中 与 无关。如：

   • 对于 有：

     

   • 对于 有：

     

   • 对于 有：

     

   因此有：

   

   考虑均方误差损失函数：

   

   最小值点的偏导数为 0 ，有：

   

   则有：

   

3. ALS 通过多轮次、轮流迭代求解 即可得到模型的最优解。

   • 在迭代之前初始化参数，其中： 通过零初始化， 的每个元素通过均值为0、方差为 的正太分布随机初始化。

   • 每一轮迭代时：

     • 首先求解 ，因为相对于二阶交叉的高阶特征，低阶特征有更多的数据来估计其参数，因此参数估计更可靠。

     • 然后求解 。这里按照维度优先的准确来估计：先估计所有 representation 向量的第 1 维度，然后是第 2 维，… 最后是第 d 维。

       这是为了计算优化的考量。

3.2.2 计算优化

1. 直接求解 ALS 的解时复杂度较高：在每个迭代步中计算每个训练样本的 和 。

   对于每个样本，求解 和 的计算复杂度为：

   • 计算 的复杂度为 ，计算 的复杂度为
   • 计算 的复杂度为 ，计算 的复杂度为
   • 计算 的复杂度为 ，计算 的复杂度为

   因此求解 的计算复杂度为 。

2. 有三种策略来降低求解 的计算复杂度，从 降低到 ，其中 表示平均非零特征的数量：

   • 利用预计算的误差项 降低 的计算代价 。
   • 利用预计算的 项降低交叉特征的 的计算代价。
   • 利用数据集 的稀疏性降低整体计算代价。

3. 预计算误差项 ：

   定义误差项：

   

   考虑到 ，则有：

   

   因此如果计算 的计算代价较低，则计算 的计算复杂度也会降低。

   • 首先对每个样本，计算其初始误差：

     

     考虑到 的计算复杂度为 ，因此 的计算复杂度为 。

   • 当参数 更新到 时，重新计算误差：

     

     计算代价由 决定 （根据下面的讨论，其计算复杂度为 ）。

4. 预计算 值：

   如果能够降低计算 的代价，则整体计算复杂度可以进一步降低。由于 的复杂度为 ，因此重点考虑 的计算复杂度。

   重写 ，有：

   

   定义：

   

   因此如果计算 的计算代价较低，则 的计算复杂度也会降低。

   • 对每个样本、每个representation 向量维度计算初始 值：

     

     计算复杂度为 。

   • 当参数 更新到 时，重新 值：

     

     计算代价为 。

   • 一旦得到 ，则有：

     

     计算代价为

5. 数据集 的稀疏性：

   根据：

   

   • 对于 ，其计算复杂度为

     

   • 对于 ， 我们只需要迭代 中 的样本，即 的样本。

     因此每次更新只需要使用部分样本。总体而言，整体复杂度为 ，其中 表示平均非零特征的数量。

3.2.3 算法

1. ALS 优化算法：

   • 输入：

     • 训练样本
     • 随机初始化的方差

   • 输出：模型参数

   • 算法步骤：

     • 参数初始化：

       

     • 初始化 ：

       

     • 迭代直至目标函数收敛或者达到指定步数，每一轮迭代过程为：

       • 更新 ：

         

       • 更新 ：

         

       • 更新 ：

         外层循环为 ，内层循环为 。这是为了充分利用 。

         

2. 论文实验给出了 SGD 和 ALS 优化算法的比较结果。可以看到：

   • SGD 的优化效果很大程度上取决于学习率和迭代次数。

     当精心挑选合适的学习率、足够大的迭代次数（根据验证集执行早停策略从而防止过拟合），SGD 可以达到 ALS 的效果。

   • ALS 不需要精心的、耗时的搜索合适的学习率，就可以达到很好的效果。