季蕓等

摘 要： 推薦系統(tǒng)是一種解決信息過載的新型技術(shù)，為了解決推薦系統(tǒng)中新用戶帶來的冷啟動(dòng)問題，提出一種基于主動(dòng)學(xué)習(xí)的推薦系統(tǒng)。主動(dòng)學(xué)習(xí)方法能有效減少需要標(biāo)記的樣本數(shù)量，快速建立模型，在此選擇將主動(dòng)學(xué)習(xí)方法和Baseline SVD推薦算法結(jié)合起來，通過記錄模型訓(xùn)練得到的預(yù)估評(píng)價(jià)的改變程度，認(rèn)為改變最大的樣例即是最具有信息量的樣例，供新用戶標(biāo)記，并重新訓(xùn)練模型。通過與其他選擇策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較，證實(shí)了該方法確實(shí)有效解決了新用戶帶來的冷啟動(dòng)問題。

關(guān)鍵詞： 推薦系統(tǒng)； 主動(dòng)學(xué)習(xí)； Baseline SVD； 樣例選擇

中圖分類號(hào)： TN915.03?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）12?0008?04

Recommender system based on Baseline SVD active learning algorithm

JI Yun1， HU Xue?lei1， 2

0 引 言

隨著信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，各種互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用充斥著每個(gè)人的生活，得益于互聯(lián)網(wǎng)的開放性，便利性和分布性，互聯(lián)網(wǎng)上的信息量急劇增加。為了解決信息過載問題，推薦系統(tǒng)成為了繼分類目錄和搜索引擎之后，大數(shù)據(jù)時(shí)代的新寵。協(xié)同過濾作為一種主流的推薦系統(tǒng)技術(shù)[1]，在學(xué)術(shù)界和應(yīng)用上都廣受好評(píng)，它的主要思想是通過用戶之間的聯(lián)系來分享物品。協(xié)同過濾算法分成兩種[2]：一種是基于記憶的協(xié)同過濾算法（Memory?based），包括ItemCF算法和UserCF算法，通過計(jì)算用戶或物品之間的相似度來做推薦；另一種是基于模型的協(xié)同過濾（Model?based），基于模型的推薦算法往往結(jié)合了數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等諸多技術(shù)，常見的有基于聚類的推薦、基于矩陣分解的算法、Slope One[3]等，其中基于矩陣分解的算法有：SVD，Baseline SVD[4]，SVD++[5]等。在Netflix Prize推薦大賽之后，基于矩陣的推薦算法迅速崛起。推薦系統(tǒng)的發(fā)展受到了諸多因素的影響，其中一種便是新用戶問題。推薦系統(tǒng)算法非常依賴歷史數(shù)據(jù)，在用戶新注冊(cè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之后，系統(tǒng)由于沒有該用戶的相關(guān)數(shù)據(jù)，而無法為新用戶做出準(zhǔn)確的推薦，這會(huì)大大影響互聯(lián)用應(yīng)用對(duì)用戶的黏著性。為了解決新用戶問題，常見的方案有：

（1） 非個(gè)性化推薦，隨機(jī)推薦或者推薦熱門，這種方法不夠個(gè)性化，系統(tǒng)必須累積一定數(shù)量的數(shù)據(jù)才能啟動(dòng)推薦系統(tǒng)；

（2） 根據(jù)用戶注冊(cè)信息做出推薦，用戶的注冊(cè)信息往往是有限的，這樣的推薦偏向粗粒度；

（3） 主動(dòng)詢問，該方法通過與用戶交流，主動(dòng)獲取建立模型需要的相關(guān)知識(shí)，快速建立準(zhǔn)確模型。

推薦系統(tǒng)中，在將推薦產(chǎn)品呈現(xiàn)給用戶時(shí)，一方面期望得到用戶的滿意度，另一方面期望能從用戶的操作中學(xué)習(xí)到用戶的偏好，這正是主動(dòng)學(xué)習(xí)所致力的，因此將主動(dòng)學(xué)習(xí)結(jié)合推薦系統(tǒng)是不謀而合的[6]。國外研究人員目前常用的算法是將貝葉斯理論作為樣本選擇策略，AM（Aspect Model）算法為基準(zhǔn)學(xué)習(xí)器[7]。Jin等針對(duì)模型本身不確定性的問題，提出了改進(jìn)，使得用戶參數(shù)向著準(zhǔn)確的方向增長[8]。Rasoul Karimi提出一種基于矩陣分解的主動(dòng)學(xué)習(xí)算法，選出預(yù)估評(píng)分最低的樣本供用戶選擇[9]。

2 基于主動(dòng)學(xué)習(xí)的Baseline SVD算法

為解決新用戶問題，本文選擇將主動(dòng)學(xué)習(xí)策略和推薦算法結(jié)合起來的方法，以加快冷啟動(dòng)速度。主動(dòng)學(xué)習(xí)根據(jù)樣本選擇策略，從提問池中選擇一個(gè)樣本供新用戶標(biāo)記，并不斷修正模型，直到模型穩(wěn)定為止，訓(xùn)練模型的過程如圖1所示，這是一個(gè)不斷迭代的過程。主動(dòng)學(xué)習(xí)的核心是樣本選擇策略，目前常用的樣本選擇策略有：基于不確定性縮減的算法，基于誤差縮減的算法和基于版本空間縮減的算法。將主動(dòng)學(xué)習(xí)策略與其他應(yīng)用做結(jié)合的研究很多，例如基于主動(dòng)學(xué)習(xí)的字符識(shí)別[10]、文本分類等。

由于不同的學(xué)習(xí)算法需要不同的主動(dòng)學(xué)習(xí)策略，基于AM算法的主動(dòng)選擇策略并不適用于Baseline SVD算法，并且他們的模型太過復(fù)雜，本文選擇Baseline SVD作為基準(zhǔn)學(xué)習(xí)器，提出了一種基于評(píng)分改變程度作為樣例選擇的策略。在每次提問后，都會(huì)重新訓(xùn)練，同時(shí)給出新的預(yù)估評(píng)分，預(yù)估評(píng)分波動(dòng)較大的物品認(rèn)為是最不能確定，也是最具信息量的。圖2中，（a）的預(yù)估評(píng)分在不同輪數(shù)之間的評(píng)分差變化很大，而（b）的預(yù)估評(píng)分相對(duì)于要穩(wěn)定很多，相對(duì)于后者，不能確定（a）的評(píng)分的可能性更大，得到該樣本的標(biāo)記可以讓模型更快趨于穩(wěn)定，使用式（6）來衡量這種改變程度的大?。?/p>

[j=1cnt-1rj+1u，i'-rju，i'cnt-1] （6）

[i′*=argmaxi'∈I'j=1cnt-1rj+1u，i′-rju，i′cnt-1] （7）

式中：cnt表示模型訓(xùn)練的總次數(shù)；I′表示為標(biāo)注樣本的集合；[rju，i']表示第j次模型；用戶u對(duì)i′的預(yù)估評(píng)分，在所有未評(píng)分的物品，最終選出該值最大的物品供用戶標(biāo)記，該式的意義是連續(xù)兩次模型計(jì)算出來的預(yù)估評(píng)分差的平均值。具體算法流程如圖3所示。

3 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)使用經(jīng)典的Movielens作為數(shù)據(jù)集，采用離線模擬的方式。為了更好地模擬在線用戶的實(shí)際情況，將Movielens中的用戶分成兩部分，選擇一部分用戶和其所評(píng)價(jià)過的電影數(shù)據(jù)作為初始的訓(xùn)練集，認(rèn)為這些用戶已經(jīng)不是新用戶。剩下來的用戶作為新用戶，并將這一部分用戶評(píng)價(jià)電影的數(shù)據(jù)再拆分成兩個(gè)部分，每個(gè)用戶隨機(jī)預(yù)留20個(gè)電影評(píng)分作為最終的測(cè)試集，其他部分的電影評(píng)分作為提問池。本文假設(shè)用戶對(duì)每個(gè)電影都具有打分的能力，系統(tǒng)每次從提問池中選擇電影樣本，供用戶回答，再將這些被標(biāo)注好的樣本放入訓(xùn)練集后，重新訓(xùn)練模型。初始化時(shí)，從提問池中隨機(jī)抽取該新用戶的3個(gè)樣本放入訓(xùn)練集中，具體的訓(xùn)練集和測(cè)試集的分布如表2所示。

表2 Movielens訓(xùn)練集和測(cè)試集的分布

經(jīng)過研究測(cè)試，Baseline SVD算法在Movielens數(shù)據(jù)集中，選擇隱分類數(shù)為200時(shí)效果較好，其中，學(xué)習(xí)速率α選擇0.02，正則系數(shù)λ選擇0.05。為了反映本文提出的算法性能，選擇以下兩種策略作為比較算法：

（1） 隨機(jī)選擇。每次從提問池中隨機(jī)選擇一部用戶需要標(biāo)記的電影。

（2） 選擇熱門。每次從提問池中選擇熱門的電影，熱門產(chǎn)品的定義為，訓(xùn)練集中被看的次數(shù)最多的電影。

為評(píng)價(jià)本文提出的算法，使用RMSE[11]作為算法的評(píng)價(jià)指標(biāo)，本文將最大的迭代次數(shù)選為8，8次迭代過后，模型對(duì)新用戶的推薦基本趨向平穩(wěn)。為了更好地反映結(jié)果，對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)都進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，最后結(jié)果取平均值，有：

[RMSE=1cu∈Ui∈I（rui-rui）2] （8）

由圖4可以得出以下結(jié)論，選擇熱門產(chǎn)品的方案最差，雖然流行度高的電影普及度最廣，但是其對(duì)于個(gè)性化的推薦模型建立并不能做出很大的貢獻(xiàn)，其RMSE下降速度最慢。

隨機(jī)選擇策略接近于被動(dòng)學(xué)習(xí)中，被動(dòng)累積數(shù)據(jù)的情況，本文提出的方法在實(shí)驗(yàn)初期，RMSE的數(shù)值下降速度最快，明顯加快了冷啟動(dòng)速度，隨著提問次數(shù)增加，RMSE和隨機(jī)選擇方法效果接近。本文提出的算法在每次提問時(shí)，僅需維護(hù)一個(gè)記錄累計(jì)評(píng)分改變的矩陣，為每一個(gè)新用戶選擇評(píng)分改變最大的物品，算法復(fù)雜度較小，也易于理解。

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于主動(dòng)學(xué)習(xí)的推薦算法，以解決推薦系統(tǒng)中新用戶問題。該方法將預(yù)估評(píng)分的改變程度作為樣本選擇策略，認(rèn)為預(yù)估評(píng)分改變較大的樣例是模型最不能確定的，所含信息量較大。實(shí)驗(yàn)證明，該方法確實(shí)能有效減緩用戶的冷啟動(dòng)。但是本文中的實(shí)驗(yàn)是基于用戶總能回答任何問題的假設(shè)前提，這在現(xiàn)實(shí)中是不成立的，因此，將用戶標(biāo)記樣本的能力結(jié)合樣例選擇策略將是今后的研究重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 項(xiàng)亮.推薦系統(tǒng)實(shí)踐[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[2] 王國霞，劉賀平.個(gè)性化推薦系統(tǒng)綜述[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用， 2012，48（7）：66?76.

[3] Lemire D， Maclachlan A. Slope one predictors for online rating?based collaborative filtering [C]// Proceedings of SIAM Data Mining. Newport Beach， California： SDM， 2005， 5： 1?5.

[4] YEHUDA Koren. Factor in the neighbors： scalable and accurate collaborative filtering [J]. ACM Transactions on Knowledge Discovery from Data， 2010， 4（1）： 1?10.

[5] 劉劍波，楊健.基于SVD++與行為分析的社交推薦[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013，33（1）：82?86.

[6] RUBENS Neil， KAPLAN Dain， SUGIYAMA Masashi. Active learning in recommender systems [M]// Anon. Recommender Systems Handbook. US： Springer， 2011： 736?767.

[7] KARIMI Rasoul， FREUDENTHALER Christoph， NANOPOULOS Alexandros， et al. Active learning for aspect model in recommender systems [C]// Proceedings of 2011 IEEE Symposium on Computational Intelligence and Data Mining （CIDM）. [S.l.]： IEEE， 2011：162?167.

[8] JIN R， SI L. A bayesian approach toward active learning for collaborative filtering [C]// Proceedings of the 20th Conference on Uncertainty in Artificial Intelligence. [S.l.]： AUAI Press， 2004： 278?285.

[9] KARIMI Rasoul， FREUDENTHALER Christoph， NANOPOULOS Alexandros， et al. Non?myopic active learning for recommender systems based on matrix factorization [C]// Proceedings of 2011 IEEE International Conference on Information Reuse and Integration. [S.l.]： IEEE， 2011： 299?303.

[10] 孟凡棟.基于主動(dòng)學(xué)習(xí)SVM的字符識(shí)別方法研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2008.

[11] 劉建國，周濤，郭強(qiáng)，等.個(gè)性化推薦系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法綜述[J].復(fù)雜系統(tǒng)與復(fù)雜性科學(xué)，2009（3）：1?10.