原理篇 | 推荐系统之矩阵分解模型

导语 ：本系列文章一共有三篇，分别是

《科普篇 | 推荐系统之矩阵分解模型》

《原理篇 | 推荐系统之矩阵分解模型》

《实践篇 | 推荐系统之矩阵分解模型》

第一篇用一个具体的例子介绍了MF是如何做推荐的。第二篇讲的是MF的数学原理，包括MF模型的目标函数和求解公式的推导等。第三篇回归现实，讲述MF算法在图文推荐中的应用实践（ 将于后续发布 ）。下文是第二篇—— 《原理篇 | 推荐系统之矩阵分解模型》 ， 敬请阅读。

上一篇我们用一个简单的例子讲述了矩阵分解(Matrix Factorization, MF)是如何做推荐的，但没有深入到算法的细节。如果想编写自己的代码实现MF，那么就需要了解其中的细节了。本文是MF系列的第二篇文章，主要介绍了显式矩阵分解和隐式矩阵分解的数学原理，包括模型思想、目标函数、优化求解的公式推导等，旨在为需要了解算法细节的同学提供参考。

1.显式数据和隐式数据

MF用到的用户行为数据分为显式数据和隐式数据两种。显式数据是指用户对item的显式打分，比如用户对电影、商品的评分，通常有5分制和10分制。隐式数据是指用户对item的浏览、点击、购买、收藏、点赞、评论、分享等数据，其特点是用户没有显式地给item打分，用户对item的感兴趣程度都体现在他对item的浏览、点击、购买、收藏、点赞、评论、分享等行为的强度上。

显式数据的优点是行为的置信度高，因为是用户明确给出的打分，所以真实反映了用户对item的喜欢程度。缺点是这种数据的量太小，因为绝大部分用户都不会去给item评分，这就导致数据非常稀疏，同时这部分评分也仅代表了小部分用户的兴趣，可能会导致数据有偏。隐式数据的优点是容易获取，数据量很大。因为几乎所有用户都会有浏览、点击等行为，所以数据量大，几乎覆盖所有用户，不会导致数据有偏。其缺点是置信度不如显式数据的高，比如浏览不一定代表感兴趣，还要看强度，经常浏览同一类东西才能以较高置信度认为用户感兴趣。

根据所使用的数据是显式数据还是隐式数据，矩阵分解算法又分为两种[4,6]。使用显式数据的矩阵分解算法称为显式矩阵分解算法，使用隐式数据的矩阵分解算法称为隐式矩阵分解算法。由于矩阵分解算法有众多的改进版本和各种变体[4,5,6,7,8,9,10,11]，本文不打算一一列举，因此下文将以实践中用得最多的矩阵分解算法为例，介绍其具体的数据原理，这也是spark机器学习库mllib中实现的矩阵分解算法[4,6]。从实际应用的效果来看，隐式矩阵分解的效果一般会更好。

2.显式矩阵分解

在本系列第一篇文章中，我们提到，矩阵分解算法的输入是user对item的评分矩阵(图1等号左边的矩阵)，输出是User矩阵和Item矩阵(图1等号右边的矩阵)，其中User矩阵的每一行代表一个用户向量，Item矩阵的每一列代表一个item的向量。User对item的预测评分用它们的向量内积来表示，通过最小化预测评分和实际评分的差异来学习User矩阵和Item矩阵。

图1

2.1 目标函数

为了用数学的语言定量表示上述思想，我们先引入一些符号。设 r ui  表示用户 u  对item i  的显式评分，当 r ui  >0时，表示用户 u  对item i  有评分，当 r ui  =0时，表示用户 u  对item i  没有评分， x u  表示用户 u  的向量， y i  表示item i  的向量，则显式矩阵分解的目标函数为：

其中 x u  和 y i  都是 k  维的列向量， k  为隐变量的个数，

是所有 x u  构成的矩阵，

为所有 y i  构成的矩阵， N  为用户数， M  为item数，λ为正则化参数。

在上述公式中，

为用户向量与物品向量的内积，表示用户 u  对物品 i  的预测评分，目标函数通过最小化预测评分和实际评分 r ui  之间的残差平方和，来学习所有用户向量和物品向量。这里的残差项只包含了有评分的数据，不包括没有评分的数据。目标函数中第二项是L2正则项，用于保证数值计算稳定性和防止过拟合。

2.2 求解方法：

求解 X  和 Y  采用的是交替最小二乘法(alternative least square, ALS)，也就是先固定 X  优化 Y  ，然后固定 Y  优化 X  ，这个过程不断重复，直到 X  和 Y  收敛为止。每次固定其中一个优化另一个都需要解一个最小二乘问题，所以这个算法叫做交替最小二乘方法。

(1) Y  固定为上一步迭代值或初始化值，优化 X  ：

此时， Y  被当做常数处理，目标函数被分解为多个独立的子目标函数，每个子目标函数对应一个用户。对于用户 u  ，目标函数为：

这里面残差项求和的个数等于用于 u  评过分的物品的个数，记为 m  个。把这个目标函数化为矩阵形式，得 

其中，

表示用户 u  对这 m  个物品的评分构成的向量，

表示这 m  个物品的向量构成的矩阵，顺序跟 R u  中物品的顺序一致。

对目标函数J关于 x u  求梯度，并令梯度为零，得：

解这个线性方程组，可得到 x u  的解析解为：

(2) X  固定为上一步迭代值或初始化值，优化 Y ：

此时， X  被当做常数处理，目标函数也被分解为多个独立的子目标函数，每个子目标函数对应一个物品。类似上面的推导，我们可以得到 y i  的解析解为：

其中，

表示 n  个用户对物品 i  的评分构成的向量，

表示这 n  个用户的向量构成的矩阵，顺序跟 R i  中用户的顺序一致。

2.3 工程实现

当固定 Y  时，各个 x u  的计算是独立的，因此可以对 x u  进行分布式并行计算。同理，当固定 X 时 ，各个 y i  的计算也是独立的，因此也可以对 y i  做分布式并行计算。因为 X i  和 Y u  中只包含了有评分的用户或物品，而非全部用户或物品，因此 x u  和 y i  的计算时间复杂度为 O ( k 2 n u+ k 3 ) 其中 n u  是 有评分的用户数或物品数， k  为隐变量个数。

3.隐式矩阵分解

隐式矩阵分解与显式矩阵分解的一个比较大的区别，就是它会去拟合评分矩阵中的零，即没有评分的地方也要拟合。

3.1 目标函数

我们仍然用 r ui  表示用户 u  对物品 i  的评分，但这里的评分表示的是行为的强度，比如浏览次数、阅读时长、播放完整度等。当 r ui  >0时，表示用户 u  对物品i有过行为，当 r ui  =0时，表示用户 u  对物品i没有过行为。首先，我们定义一个二值变量 p ui  如下：

这个 p ui  是一个依赖于 r ui  的量，用于表示用户 u  对物品 i  是否感兴趣，也称为用户偏好。当用户 u  对物品 i  有过行为时，我们认为用户 u  对物品i感兴趣，此时 p ui  =1；当用户 u  对物品 i  没有过行为时，我们认为用户 u  对物品 i  不感兴趣，此时 p ui  =0。

模型除了要刻画用户对物品是否感兴趣外，而且还要刻画感兴趣或不感兴趣的程度，所以这里的隐式矩阵分解还引入了置信度的概念。从直观上来说，当 r ui  >0时， r ui  越大，我们越确信用户 u  喜欢物品 i  ，而当 r ui  =0时，我们不能确定用户 u  是否喜欢物品 i  ，没有行为可能只是因为用户 u  并不知道物品 i  的存在。

因此，置信度是 r ui  的函数，并且当 r ui  >0时，置信度是 r ui  的增函数；当 r ui  =0时，置信度取值要小。论文中给出的置信度 c ui  的表达式为：

当 r ui  >0时， c ui  关于 r ui  线性递增，表示对于有评分的物品，行为强度越大，我们越相信用户 u  对物品 i  感兴趣；当 r ui  =0时，置信度恒等于1，表示对所有没有评分的物品，用户不感兴趣的置信度都一样，并且比有评分物品的置信度低。用 x u  表示用户 u  的向量， y i  表示item i  的向量，引入置信度以后，隐式矩阵分解[6]的目标函数为：

其中 x u  和 y i  都是 k  维的列向量， k  为隐变量的个数，

是所有 x u  构成的矩阵，

为所有 y i  构成的矩阵， N  为用户数， M  为item数，λ为正则化参数。目标函数里的内积 用于表示用户对物品的预测偏好，拟合实际偏好 p ui ，拟合强度由 c ui   控制。并且对于 p ui  =0的项也要拟合。目标函数中的第二项是正则项，用于保证数值计算稳定性以及防止过拟合。

3.2 求解方法

目标函数的求解仍然可以采用交替最小二乘法。具体如下：

(1) Y  固定为上一步迭代值或初始化值，优化 X  ：

此时， Y  被当做常数处理，目标函数被分解为多个独立的子目标函数，每个子目标函数都是某个 x u  的函数。对于用户 u  ，目标函数为：

把这个目标函数化为矩阵形式，得

其中，

为用户 u  对每个物品的偏好构成的列向量，

表示所有物品向量构成的矩阵， Λ u  为用户 u  对所有物品的置信度 c ui  构成的对角阵，即：

对目标函数 J  关于 x u  求梯度，并令梯度为零，得：

解这个线性方程组，可得到 x u  的解析解为：

(2) X  固定为上一步迭代值或初始化值，优化 Y ：

此时， X  被当做常数处理，目标函数也被分解为多个独立的子目标函数，每个子目标函数都是关于某个 y i  的函数。通过同样的推导方法，可以得到 y i  的解析解为：

其中，

为所有用户对物品 i  的偏好构成的向量，

表示所有用户的向量构成的矩阵， Λ i   为所有用户对物品 i  的偏好的置信度构成的对角矩阵，即

3.3 工程实现

由于固定 Y  时，各个 x u  的求解都是独立的，所以在固定 Y  时可以并行计算各个 x u ，同理，在固定X时可以并行计算各个 y i  。

在计算 x u  和 y i  时，如果直接用上述解析解的表达式来计算，复杂度将会很高。以 x u  的表达式来说， Y  Λ u  Y T  这一项就涉及到所有物品的向量，少则几十万，大则上千万，而且每个用户的 都不一样，每个用户都算一遍时间上不可行。所以，这里要先对 x u  的表达式化简，降低复杂度。

注意到 Λ i  的特殊性，它是由置信度构成的对角阵，对于一个用户来说，由于大部分物品都没有评分，以此 Λ i  对角线中大部分元素都是1，利用这个特点，我们可以把 Λ i  拆成两部分的和，即

其中I为单位阵， Λ u   - I  为对角阵，并且对角线上大部分元素为0，于是， 可以重写为如下形式：

分解成这两项之后，第一项 Y Y T  对每个用户都是一样的，只需要计算一次，存起来，后面可以重复利用，对于第二项，由于 Λ u  - I  为对角线大部分是0的对角阵，所以计算 Y  ( Λ u  - I  ) Y T  的复杂度是 O ( k 2 n u ) 。 其中 n u  是 Λ u  - I  中非零元的个数，也就是用户 u  评过分的物品数，通常不会很多，所以整个 Y Λ u Y T 的计算复杂度由 O ( k 2 M ) 降为 O ( k 2 n u ) 。 由于 M>> n u ，所以计算速度大大加快。对于 x u  表达式的 Y  Λ u  P u 这一项，则应 Y  (   Λ u  P u )   这样计算，利用 P u  中大部分元素是0的特点，将计算复杂度由 O ( kM  ) 降低到 O ( kn u )。通过使用上述数学技巧，整个 x u 的计算复杂度可以降低到 O ( k 2 n u + k 3 ) ，其中 n u 是有评分的用户数或物品数， k  为隐变量个数，完全满足在线计算的需求。

4.增量矩阵分解算法

无论是显式矩阵分解，还是隐式矩阵分解，我们在模型训练完以后，就会得到训练集里每个用户的向量和每个物品的向量。假设现在有一个用户，在训练集里没出现过，但是我们有他的历史行为数据，那这个用户的向量该怎么计算呢？当然，最简单的方法就是把这个用户的行为数据合并到旧的训练集里，重新做一次矩阵分解，进而得到这个用户的向量，但是这样做计算代价太大了，在时间上不可行。

为了解决训练数据集以外的用户(我们称之为新用户)的推荐问题，我们就需要用到增量矩阵分解算法。增量矩阵分解算法能根据用户历史行为数据，在不重算所有用户向量的前提下，快速计算出新用户向量。

在交替最小二乘法里，当固定 Y  计算 x u  时，我们只需要用到用户 u  的历史行为数据 r ui  以及 Y  的当前值，不同用户之间 x u 的计算是相互独立的。这就启发我们，对于训练集以外的用户，我们同样可以用他的历史行为数据以及训练集上收敛时学到的 Y ，来计算新用户的用户向量。下面的图2表示了这一过程。

增量矩阵分解

设用户历史行为数据为 P u ={ P ui  }，训练集上学到的物品矩阵为 Y ，要求解的用户向量为 x u ，则增量矩阵分解算法求解的目标为：

这个目标函数跟第3节中固定 Y  时求解 x u  的目标函数是一样的，但有两个不同点：

(1)这里的 Y  是不需要迭代的，它是MF在训练集上收敛时得到的 Y ；

(2)用户的历史行为数据 P u  要过滤掉在Y中没出现过的物品。由于 Y  是固定的，我们不需要迭代，直接通过 x u  的解析表达式求解 x u ，即：

式中的所有符号和上一节相同。

事实上，增量矩阵分解的目标函数中的 Y  也不一定要是MF在训练集上学出来的，只要 Y  中的每个向量都能表示对应物品的特征就行，也就是说， Y  可以是由其他数据和其他算法事先学出来的。矩阵分解的增量算法在图文推荐系统中有着广泛应用，具体的应用将在下一篇文章中介绍。

5.推荐结果的可解释性

好的推荐算法不仅要推得准确，而且还要有良好的可解释性，也就是根据什么给用户推荐了这个物品。传统的ItemCF算法就有很好的可解释性，因为在ItemCF中，用户 u  对物品 i  的预测评分 R  ( u, i  )  的计算公式为

其中 N ( u  )   表示用户 u  有过行为的物品集合， r uj  表示用户 u  对物品 j  的历史评分， s ji  表示物品 j  和物品 i  的相似度。在这个公式中， N ( u  ) 中的物品 j  对 R ( u , i )   的贡献为 r uj  s ji ，因此可以很好地解释物品 i  具体是由 N ( u ) 中哪个物品推荐而来。那对于矩阵分解算法来说，是否也能给出类似的可解释性呢？答案是肯定的。

以隐式矩阵分解为例，我们已经推导出，已知物品的矩阵 Y  时，用户 u  的向量的计算表达式为：

假设物品 i  的向量为 y i ，那么用户 u  对物品 i  的预测评分为：

令

并把 Y  Λ u  P u  展开来写，则 的表达式可以写成

其中，

可以看成是物品 j  和物品 i  之间的相似度，

可以看成是用户 u  对用户j的评分，这样就能像ItemCF那样去解释 N ( u  )中每一项对推荐物品 i  的贡献了。从 s ji  的计算表达式中，我们还可以看到，物品 j  和物品 i  之间的相似度 s ji  是跟用户 u  有关系的，也就是说，即使是相同的两个物品，在不同用户看来，它们的相似度是不一样的，这跟ItemCF的固定相似度有着本质上的区别，MF的相似度看起来更合理一些。

6.小结

(1)根据用户行为数据的特点，矩阵分解又分为显式矩阵分解和隐式矩阵分解两种；

(2)在显式MF算法中，用户向量和物品向量的内积拟合的是用户对物品的实际评分，并且只拟合有评分的项；

(3)在隐式MF算法中，用户向量和物品向量的内积拟合的是用户对物品的偏好(0或1)，拟合的强度由置信度控制，置信度又由行为的强度决定；

(4)在隐式MF中，需要使用一些数学技巧降低计算复杂度，才能满足线上实时计算的性能要求；

(5)对于有行为数据，但不在训练集里的用户，可以使用增量MF算法计算出他的用户向量，进而为他做推荐；

(6)MF算法也能像ItemCF一样，能给出推荐的理由，具有良好的可解释性。

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