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基于矩阵分解的协同过滤推荐算法原理及代码_头歌基于矩阵分解的协同过滤算法代码

作者：weixin_40725706 | 2024-03-15 13:56:38

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头歌基于矩阵分解的协同过滤算法代码

文章目录

矩阵分解的发展史

Traditional SVD

通常SVD矩阵分解指的是SVD（奇异值）分解技术，在这我们姑且将其命名为Traditional SVD。其公式如下图所示：
Traditional SVD分解的形式为3个矩阵相乘，中间矩阵为奇异值矩阵。如果想运用SVD分解的话，有一个前提是要求矩阵是稠密的，即矩阵里的元素要非空，否则就不能运用SVD分解。
很显然我们的数据其实绝大多数情况下都是稀疏的，因此如果要使用Traditional SVD，一般的做法是先用均值或者其他统计学方法来填充矩阵，然后再运用Traditional SVD分解降维，但这样做明显对数据的原始性造成一定影响。

Funk SVD （LFM ）

接上回Traditional SVD首先需要填充矩阵，然后再进行分解降维。这样就会造成计算复杂度高的问题，因为要分解成3个矩阵。后来就提出了Funk SVD的方法，它不在将矩阵分解为3个矩阵，而是分解为2个用户-隐含特征，项目-隐含特征的矩阵，Funk SVD也被称为最原始的LFM模型。公式如下图所示：
借鉴线性回归的思想，通过最小化观察数据的平方来寻求最优的用户和项目的隐含向量表示。同时为了避免过度拟合（Overfitting）观测数据，又提出了带有L2正则项的Funk SVD。公式如下图所示：
以上两种最优化函数都可以通过梯度下降或者随机梯度下降法来寻求最优解，与之前的回归模型类似。

Bias SVD

在Funk SVD提出来之后，出现了很多变形版本，其中一个相对成功的方法是Bias SVD，即带有偏置项的SVD分解。基于的假设和Baseline基准预测是一样的，但这里将Baseline的偏置引入到了矩阵分解中。公式如下图所示：

SVD++

在Bias SVD提出后，人们又改进了Bias SVD，称为SVD++。算法是在Bias SVD的基础上添加了用户的隐式反馈信息。在Bias SVD基础上，认为用户对于项目的历史浏览记录、购买记录、收听记录等可以从侧面反映用户的偏好。单从公式上看还是比较复杂的，如下图所示：

基于矩阵分解的CF算法——LFM

LFM原理解析

LFM也就是前面提到的Funk SVD矩阵分解。
LFM(latent factor model)隐语义模型核心思想是通过隐含特征联系用户和物品，如下图所示：

P矩阵是User-LF矩阵，即用户和隐含特征矩阵。LF有三个，表示共总有三个隐含特征。
Q矩阵是LF-Item矩阵，即隐含特征和物品的矩阵。
R矩阵是User-Item矩阵，有P*Q得到。
LFM能处理稀疏评分矩阵。
利用矩阵分解技术，将原始User-Item的评分矩阵（稠密/稀疏）分解为P和Q矩阵，然后利用 $P * Q$ 还原出User-Item评分矩阵 $R$ 。整个过程相当于降维处理，其中：

矩阵值 $P_{11}$ 表示用户1对隐含特征1的权重值。
矩阵值 $Q_{11}$ 表示隐含特征1在物品1上的权重值。
矩阵值 $R_{11}$ 就表示预测的用户1对物品1的评分，且 $R_{11}=\vec{P_{1,k}}\cdot \vec{Q_{k,1}}$ 。
利用LFM预测用户对物品的评分， $k$ 表示隐含特征数量：

损失函数

同样对于评分预测我们利用平方差来构建损失函数：
加入L2正则化：
对损失函数求偏导

随机梯度下降法优化

梯度下降更新参数 $p_{uk}$ ：
向量乘法每一个分量相乘求和：

相关代码

import pandas as pd
import numpy as np

# 评分预测    1-5
class LFM(object):

    def __init__(self, alpha, reg_p, reg_q, number_LatentFactors=10, number_epochs=10, columns=["uid", "iid", "rating"]):
        self.alpha = alpha # 学习率
        self.reg_p = reg_p    # P矩阵正则
        self.reg_q = reg_q    # Q矩阵正则
        self.number_LatentFactors = number_LatentFactors  # 隐式类别数量
        self.number_epochs = number_epochs    # 最大迭代次数
        self.columns = columns

    def fit(self, dataset):
        '''
        fit dataset
        :param dataset: uid, iid, rating
        :return:
        '''

        self.dataset = pd.DataFrame(dataset)

        self.users_ratings = dataset.groupby(self.columns[0]).agg([list])[[self.columns[1], self.columns[2]]]
        self.items_ratings = dataset.groupby(self.columns[1]).agg([list])[[self.columns[0], self.columns[2]]]

        self.globalMean = self.dataset[self.columns[2]].mean()

        self.P, self.Q = self.sgd()

    def _init_matrix(self):
        '''
        初始化P和Q矩阵，同时为设置0，1之间的随机值作为初始值
        :return:
        '''
        # User-LF
        P = dict(zip(
            self.users_ratings.index,
            np.random.rand(len(self.users_ratings), self.number_LatentFactors).astype(np.float32)
        ))
        # Item-LF
        Q = dict(zip(
            self.items_ratings.index,
            np.random.rand(len(self.items_ratings), self.number_LatentFactors).astype(np.float32)
        ))
        return P, Q

    def sgd(self):
        '''
        使用随机梯度下降，优化结果
        :return:
        '''
        P, Q = self._init_matrix()

        for i in range(self.number_epochs):
            print("iter%d"%i)
            error_list = []
            for uid, iid, r_ui in self.dataset.itertuples(index=False):
                # User-LF P
                ## Item-LF Q
                v_pu = P[uid] #用户向量
                v_qi = Q[iid] #物品向量
                err = np.float32(r_ui - np.dot(v_pu, v_qi))

                v_pu += self.alpha * (err * v_qi - self.reg_p * v_pu)
                v_qi += self.alpha * (err * v_pu - self.reg_q * v_qi)
                
                P[uid] = v_pu 
                Q[iid] = v_qi

                # for k in range(self.number_of_LatentFactors):
                #     v_pu[k] += self.alpha*(err*v_qi[k] - self.reg_p*v_pu[k])
                #     v_qi[k] += self.alpha*(err*v_pu[k] - self.reg_q*v_qi[k])

                error_list.append(err ** 2)
            print(np.sqrt(np.mean(error_list)))
        return P, Q

    def predict(self, uid, iid):
        # 如果uid或iid不在，我们使用全剧平均分作为预测结果返回
        if uid not in self.users_ratings.index or iid not in self.items_ratings.index:
            return self.globalMean

        p_u = self.P[uid]
        q_i = self.Q[iid]

        return np.dot(p_u, q_i)

    def test(self,testset):
        '''预测测试集数据'''
        for uid, iid, real_rating in testset.itertuples(index=False):
            try:
                pred_rating = self.predict(uid, iid)
            except Exception as e:
                print(e)
            else:
                yield uid, iid, real_rating, pred_rating

if __name__ == '__main__':
    dtype = [("userId", np.int32), ("movieId", np.int32), ("rating", np.float32)]
    dataset = pd.read_csv("ml-latest-small/ratings.csv", usecols=range(3), dtype=dict(dtype))

    lfm = LFM(0.02, 0.01, 0.01, 10, 100, ["userId", "movieId", "rating"])
    lfm.fit(dataset)

    while True:
        uid = input("uid: ")
        iid = input("iid: ")
        print(lfm.predict(int(uid), int(iid)))

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基于矩阵分解的CF算法——Bias SVD

Bias SVD原理

BiasSvd其实就是前面提到的Funk SVD矩阵分解基础上加上了偏置项，利用Bias SVD预测用户对物品的评分， $k$ 表示隐含特征数量，公式如下图所示：

在这里插入图片描述

损失函数

同样对于评分预测我们利用平方差来构建损失函数：
加入L2正则化：
对损失函数求偏导：

随机梯度下降法优化

梯度下降更新参数 $p_{uk}$ ：
随机梯度下降：

相关代码

import math
import random
import pandas as pd
import numpy as np

class BiasSvd(object):

    def __init__(self, alpha, reg_p, reg_q, reg_bu, reg_bi, number_LatentFactors=10, number_epochs=10, columns=["uid", "iid", "rating"]):
        self.alpha = alpha # 学习率
        self.reg_p = reg_p
        self.reg_q = reg_q
        self.reg_bu = reg_bu
        self.reg_bi = reg_bi
        self.number_LatentFactors = number_LatentFactors  # 隐式类别数量
        self.number_epochs = number_epochs
        self.columns = columns

    def fit(self, dataset):
        '''
        fit dataset
        :param dataset: uid, iid, rating
        :return:
        '''

        self.dataset = pd.DataFrame(dataset)

        self.users_ratings = dataset.groupby(self.columns[0]).agg([list])[[self.columns[1], self.columns[2]]]
        self.items_ratings = dataset.groupby(self.columns[1]).agg([list])[[self.columns[0], self.columns[2]]]
        self.globalMean = self.dataset[self.columns[2]].mean()

        self.P, self.Q, self.bu, self.bi = self.sgd()

    def _init_matrix(self):
        '''
        初始化P和Q矩阵，同时为设置0，1之间的随机值作为初始值
        :return:
        '''
        # User-LF
        P = dict(zip(
            self.users_ratings.index,
            np.random.rand(len(self.users_ratings), self.number_LatentFactors).astype(np.float32)
        ))
        # Item-LF
        Q = dict(zip(
            self.items_ratings.index,
            np.random.rand(len(self.items_ratings), self.number_LatentFactors).astype(np.float32)
        ))
        return P, Q

    def sgd(self):
        '''
        使用随机梯度下降，优化结果
        :return:
        '''
        P, Q = self._init_matrix()

        # 初始化bu、bi的值，全部设为0
        bu = dict(zip(self.users_ratings.index, np.zeros(len(self.users_ratings))))
        bi = dict(zip(self.items_ratings.index, np.zeros(len(self.items_ratings))))

        for i in range(self.number_epochs):
            print("iter%d"%i)
            error_list = []
            for uid, iid, r_ui in self.dataset.itertuples(index=False):
                v_pu = P[uid]
                v_qi = Q[iid]
                err = np.float32(r_ui - self.globalMean - bu[uid] - bi[iid] - np.dot(v_pu, v_qi))

                v_pu += self.alpha * (err * v_qi - self.reg_p * v_pu)
                v_qi += self.alpha * (err * v_pu - self.reg_q * v_qi)
                
                P[uid] = v_pu 
                Q[iid] = v_qi
                
                bu[uid] += self.alpha * (err - self.reg_bu * bu[uid])
                bi[iid] += self.alpha * (err - self.reg_bi * bi[iid])

                error_list.append(err ** 2)
            print(np.sqrt(np.mean(error_list)))

        return P, Q, bu, bi

    def predict(self, uid, iid):

        if uid not in self.users_ratings.index or iid not in self.items_ratings.index:
            return self.globalMean

        p_u = self.P[uid]
        q_i = self.Q[iid]

        return self.globalMean + self.bu[uid] + self.bi[iid] + np.dot(p_u, q_i)


if __name__ == '__main__':
    dtype = [("userId", np.int32), ("movieId", np.int32), ("rating", np.float32)]
    dataset = pd.read_csv("ml-latest-small/ratings.csv", usecols=range(3), dtype=dict(dtype))

    bsvd = BiasSvd(0.02, 0.01, 0.01, 0.01, 0.01, 10, 20)
    bsvd.fit(dataset)

    while True:
        uid = input("uid: ")
        iid = input("iid: ")
        print(bsvd.predict(int(uid), int(iid)))

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基于K最近邻的协同过滤推荐

这边最后再讲讲KNN算法，其实算法本质就是MemoryBased CF，只不过在选取近邻的时候，加上K最近邻的限制。
只需修改以下代码即可：

similar_users = self.similar[uid].drop([uid]).dropna().sort_values(ascending=False)[:self.k]

similar_items = self.similar[iid].drop([iid]).dropna().sort_values(ascending=False)[:self.k]
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