改進(jìn)的矩陣分解與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電影推薦中的研究

黎丹冰，丁 陽，陳怡華，呂雪松，黎丹雨

（1.武漢理工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院，湖北 430070；2.廣州探途網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司研發(fā)部，廣州 510000；3.廣州新華學(xué)院信息科學(xué)學(xué)院，廣州 510000）

0 引言

目前主流平臺(tái)及應(yīng)用程序（APP）為了提升用戶體驗(yàn)，增加平臺(tái)對(duì)用戶的粘性，都提供推薦功能。在這個(gè)數(shù)據(jù)即價(jià)值的時(shí)代，不論是新聞、電影、音樂，還是美食、書籍、服裝等，平臺(tái)都能夠快速捕獲用戶的注意力，滿足用戶的需求，例如Amazon電子商務(wù)推薦系統(tǒng)［1］，Netflix視頻推薦系統(tǒng)，今日頭條新聞推薦系統(tǒng)［2］等。在電影推薦領(lǐng)域，電影信息與用戶信息的交互度不高，使得數(shù)據(jù)呈現(xiàn)極度稀疏狀態(tài)，從而造成傳統(tǒng)的電影推薦系統(tǒng)個(gè)性化不強(qiáng)，很多平臺(tái)推薦給用戶的電影都是一些熱門電影，但這并不能代表一定是用戶偏愛的電影。因此，針對(duì)用戶的個(gè)性化電影推薦，滿足用戶的興趣需求，是一個(gè)長期棘手的問題。

目前推薦系統(tǒng)最常用的算法大致可分為以下幾種：

（1）矩陣分解技術(shù)：是推薦系統(tǒng)中廣泛使用的一種方法，Yehuda Koren將矩陣分解模型的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮得淋漓盡致。近年來很多學(xué)者、專家都致力于對(duì)矩陣分解算法進(jìn)行優(yōu)化，從而誕生出很多經(jīng)典的矩陣分解算法，例如加權(quán)正則化矩陣分解（WRMF）［3］，非負(fù)矩陣分解（NMF）［4］，概率矩陣分解（PMF）［5］，貝葉斯個(gè)性化排序（BPR）［6］，分解機(jī)（FM）［7］，等等。

（2）協(xié)同過濾技術(shù)：該方法主要有兩種，基于用戶的協(xié)同過濾算法（User CF）和基于物品的協(xié)同過濾算法（Item CF），依據(jù)對(duì)商品的評(píng)分來向用戶推薦商品。

（3）深度學(xué)習(xí)技術(shù)：將深度學(xué)習(xí)模型應(yīng)用于推薦系統(tǒng)，使模型自主學(xué)習(xí)用戶和物品的特征，進(jìn)行精準(zhǔn)推薦是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。深度學(xué)習(xí)模型具有強(qiáng)大的學(xué)習(xí)和預(yù)測(cè)能力［8］。電影推薦系統(tǒng)中，針對(duì)電影的評(píng)論、圖片海報(bào)等信息，可利用深度學(xué)習(xí)模型提取特征來代替用戶的興趣或電影屬性。

1 相關(guān)研究

推薦算法中的矩陣分解最初是從SVD（singular value decomposition）借鑒來的。推薦系統(tǒng)中的矩陣分解最典型的就是隱語義模型（LFM）［9］，諸多學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。尤耀華等［10］提出基于矩陣分解的感知興趣點(diǎn)智能推薦算法，該方法改進(jìn)用戶范圍矩陣和感知興趣點(diǎn)矩陣，利用矩陣分解的思想為用戶推薦感知興趣點(diǎn)，可信度最高可達(dá)98%。潘曉等［11］在軌跡推薦中使用了矩陣分解技術(shù)，通過矩陣分解學(xué)習(xí)用戶行為習(xí)慣。蔡崇超等［12］結(jié)合社交網(wǎng)絡(luò)中的用戶關(guān)系，來緩解矩陣的稀疏性，最終推薦精度在Douban數(shù)據(jù)集上提升62%，但該方法沒有考慮用戶的興趣及關(guān)聯(lián)關(guān)系。張黎［13］將矩陣分解技術(shù)引入到深度學(xué)習(xí)模型中，提出一種加權(quán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)矩陣分解模型。白露露［14］融合了矩陣分解思想與深度學(xué)習(xí)模型，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）提取用戶和物品的淺層語義矩陣，并利用矩陣分解思想進(jìn)行評(píng)分的預(yù)測(cè)。田震等［15］在廣義矩陣分解模型的基礎(chǔ)上引入了隱藏層，利用深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來學(xué)習(xí)用戶和物品間高階交互關(guān)系，但是網(wǎng)絡(luò)層數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致模型過擬合。由此可見，矩陣分解和深度學(xué)習(xí)的發(fā)展也在影響著推薦系統(tǒng)。

本文將矩陣分解思想與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，利用矩陣分解進(jìn)行初始值的篩選，改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中損失函數(shù)的優(yōu)化方法，使最終的參數(shù)更加接近全局最優(yōu)解。

2 模型的構(gòu)建

2.1 問題描述

MovieLens電影數(shù)據(jù)集提供的數(shù)據(jù)屬性有多種，例如用戶的基本信息、評(píng)分、電影的名稱、年份、類型等，本文根據(jù)數(shù)據(jù)集中的movie ID、user ID和rating之間的關(guān)系，創(chuàng)建原始電影評(píng)分矩陣和評(píng)分記錄矩陣，并分解出電影內(nèi)容矩陣與用戶喜好矩陣，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)模型生成推薦列表。整體架構(gòu)圖如圖1所示。

2.2 原始屬性篩選及矩陣分解

2.2.1 原始屬性篩選

電影原始數(shù)據(jù)的屬性有user ID、movie ID、rating、timestamp、title、genres等。需要用到的關(guān)鍵屬性有user ID、movie ID、rating、title。由于movie ID并不等于行號(hào)，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于行號(hào)，故需要用行號(hào)代替movie ID，以緩解矩陣的稀疏性。

2.2.2 利用矩陣分解進(jìn)行初始權(quán)值及閾值篩選

（1）隱語義模型（LFM）

LFM是用隱語義來表達(dá)用戶和物品的特征，其乘積可以得到近似原始數(shù)據(jù)。假設(shè)有m部電影，電影集合為I={i1,i2,…,im}，n個(gè)用戶，用戶集合為U={u1,u2,…,un}，評(píng)分矩陣R為用戶對(duì)電影的評(píng)分，LFM的目的是找到最優(yōu)的U和I，通過U×I得到預(yù)測(cè)評(píng)分矩陣R?。為了獲得更精確的U和I，LFM最小化損失函數(shù)，見式（1）。

其中，φ為正則化系數(shù)，通過隨機(jī)梯度下降法（SGD）找到潛在的U和I。

（2）本文中的相關(guān)矩陣分解方法

本文將用戶-電影評(píng)分矩陣分解成電影內(nèi)容矩陣α和用戶偏好矩陣β。創(chuàng)建一個(gè)全零矩陣，行和列分別為電影及用戶的數(shù)量，即m與n。再將原始rating中的評(píng)分值填入創(chuàng)建的矩陣中，沒有評(píng)分的即為空。由此得到m×n的電影原始評(píng)分矩陣A，用來記錄每個(gè)用戶的評(píng)分情況。A的形式如下：

其中，Aij表示用戶j對(duì)電影i的評(píng)分值。

電影內(nèi)容矩陣α可表示為電影i的類型，數(shù)據(jù)集中的電影類型有：Action/Adventure/Animation/Children's/Comedy/War等，每部電影類型并不單一，可同時(shí)屬于幾種類型，如表1所示。

表1 部分電影類型情況

α為m×k的矩陣，其中k為電影類型數(shù)量。

αxy表示第x部電影的第y種類型的權(quán)重。

β表示用戶對(duì)某種類型的喜愛程度，為k×n階矩陣。

βxy表示第x個(gè)用戶對(duì)第y種類型電影的評(píng)分均值。

則?即為預(yù)測(cè)的用戶評(píng)分矩陣：

2.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建及使用

步驟如下：

（1）使用用戶對(duì)每種電影類型的評(píng)分均值，初始化α、β；

（2）構(gòu)建損失函數(shù)J(α,β)；

（3）使J(α,β)誤差最小化，訓(xùn)練模型；

（4）得到預(yù)測(cè)評(píng)分矩陣?，并根據(jù)?中的評(píng)分由高到低進(jìn)行推薦。

2.3.1 損失函數(shù)的設(shè)計(jì)

本次構(gòu)建的損失函數(shù)如下，在誤差評(píng)分和的基礎(chǔ)上引入正則化項(xiàng)來防止過擬合：

其中，前半部分表示預(yù)測(cè)評(píng)分與實(shí)際評(píng)分之間的偏差，后半部分是為了避免訓(xùn)練過擬合而引入的正則化項(xiàng)。γ評(píng)分記錄表，λ為正則化參數(shù)，y(i,j)表示用戶i對(duì)電影j的真實(shí)評(píng)分。

2.3.2 自適應(yīng)矩估計(jì)算法（Adam）的改進(jìn)

Adam算法是常用的優(yōu)化訓(xùn)練方法，優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)過偏置校正后的參數(shù)比較平穩(wěn)［17］。

Adam算法參數(shù)更新方式如下：

初始化參數(shù)：

while（迭代次數(shù)t＜設(shè)定最大迭代次數(shù)tmax）：

修正mt和vt：

更新參數(shù)：

其中，θ為初始參數(shù)，gt為t步的梯度，β1為一階矩估計(jì)指數(shù)衰減率，β2為二階矩估計(jì)指數(shù)衰減率，mt和vt分別是對(duì)梯度的一階矩估計(jì)和二階 矩 估 計(jì)，和是 對(duì)mt和vt的 校 正，對(duì)學(xué)習(xí)率形成一個(gè)動(dòng)態(tài)約束，但在后期有一些小的缺陷，Adam算法中對(duì)vt的計(jì)算加入了指數(shù)移動(dòng)平均函數(shù)，其值為有效時(shí)間內(nèi)的梯度的加權(quán)平均值，隨著時(shí)間的變化，學(xué)習(xí)率可能會(huì)出現(xiàn)震蕩。

針對(duì)上述問題，本文結(jié)合時(shí)間函數(shù)和高斯核函數(shù)的方法，來訓(xùn)練后期學(xué)習(xí)率的更新。該方法主要思想是為每個(gè)時(shí)間段學(xué)習(xí)一個(gè)學(xué)習(xí)率參數(shù)，添加時(shí)間距離作為權(quán)重。對(duì)于這些隨時(shí)間變化的函數(shù)，結(jié)合高斯核方法，獲得前n-1次迭代的時(shí)間集合T={t0,t1,…,tn-1}，利用高斯核計(jì)算時(shí)間相似性計(jì)算前n-1次迭代在時(shí)間上的相似性，使用時(shí)間相似性對(duì)參數(shù)γi(ti)進(jìn)行加權(quán)，得到第n次迭代的學(xué)習(xí)率。

其中，γi(ti)為時(shí)間ti時(shí)的學(xué)習(xí)率，τ為時(shí)間衰減指數(shù)。在訓(xùn)練過程前期，模型還未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，時(shí)間因素影響不大，可使用Adam優(yōu)化器進(jìn)行訓(xùn)練，當(dāng)訓(xùn)練步長大于設(shè)定閾值t0時(shí)，學(xué)習(xí)率的更新規(guī)則如公式（16）。學(xué)習(xí)率更新如圖2所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集

本次實(shí)驗(yàn)用的數(shù)據(jù)集是MovieLens 1M，該數(shù)據(jù)集是機(jī)器學(xué)習(xí)和推薦系統(tǒng)常用的公開數(shù)據(jù)集，記錄了6040個(gè)用戶對(duì)3952部電影的1000209條評(píng)分記錄。隨機(jī)選取數(shù)據(jù)集的80%作為訓(xùn)練集，20%作為檢驗(yàn)集，檢驗(yàn)推薦系統(tǒng)的性能。

3.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及評(píng)價(jià)指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)在Windows10系統(tǒng)環(huán)境下，采用Anaconda3平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，實(shí)驗(yàn)中的所有代碼由Python3.7編寫完成。激活函數(shù)選擇Relu函數(shù)，輸出函數(shù)為Sigmoid函數(shù)，用Adam算法優(yōu)化3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)迭代次數(shù)的不斷調(diào)整，最終選擇迭代次數(shù)為5000次。

本文的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括準(zhǔn)確率（Accuracy）和平均絕對(duì)誤差（MAE）。

準(zhǔn)確率的計(jì)算過程如式（17）所示：

式（17）中，n為用戶數(shù)量，N為推薦列表中用戶真正喜歡的數(shù)量，L為給用戶m推薦的列表長度。

平均絕對(duì)偏差MAE體現(xiàn)預(yù)測(cè)與真實(shí)評(píng)分之間的偏差平均值，計(jì)算過程如式（18）所示：

式（18）中，n為用戶數(shù)量，pi為預(yù)測(cè)評(píng)分，ri為測(cè)試數(shù)據(jù)中的實(shí)際評(píng)分。因此，準(zhǔn)確率越高，說明模型性能越好；MAE值越小，說明誤差越小，模型的性能越好。

準(zhǔn)確率隨迭代次數(shù)的變化如圖3所示。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.3.1 不同近鄰數(shù)目下的結(jié)果比較

該實(shí)驗(yàn)用于驗(yàn)證深度學(xué)習(xí)模型在電影推薦系統(tǒng)上的性能。取最小近鄰數(shù)分別為10、20、30、40、50的情況下，通過計(jì)算Top-N結(jié)果，對(duì)比基于用戶的協(xié)同過濾User CF和基于項(xiàng)目的協(xié)同過濾Item CF，觀察準(zhǔn)確率和MAE值。結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本文所提改進(jìn)的矩陣分解與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型推薦方法，在不同的近鄰數(shù)上，性能指標(biāo)變化不大，這可能是由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中超參數(shù)和結(jié)構(gòu)確定下來后，模型的學(xué)習(xí)能力受限所導(dǎo)致的。但是在上述這些指標(biāo)上本文的方法對(duì)比基于項(xiàng)目和基于用戶的傳統(tǒng)協(xié)同過濾方法，均有較好的效果。

圖6 和圖7的結(jié)果表明，Adam優(yōu)化器和改進(jìn)后的Adam優(yōu)化器，稍微優(yōu)于SGD優(yōu)化器，在迭代次數(shù)較小時(shí)，前兩者的準(zhǔn)確率基本一致；當(dāng)?shù)螖?shù)增加，模型的訓(xùn)練時(shí)間變長，改進(jìn)的Adam優(yōu)化器的優(yōu)勢(shì)才逐漸體現(xiàn)出來。

4 結(jié)語

本文利用改進(jìn)的矩陣分解方法與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)合，將用戶對(duì)電影的評(píng)分矩陣分解成電影內(nèi)容矩陣與用戶愛好矩陣，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)，訓(xùn)練過程使用了改進(jìn)的Adam方法，在MovieLens數(shù)據(jù)集上進(jìn)行驗(yàn)證，并分別與User-CF和Item-CF算法，以及Adam與SGD優(yōu)化器進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的方法比傳統(tǒng)協(xié)同過濾算法的推薦效果更好。在與Adam和SGD的對(duì)比中，前期效果不明顯，但隨著時(shí)間增加，優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)出來。