Wide & Deep Learning for Recommender Systems(Google&Facebook推荐)

1、背景

文章提出的Wide&Deep模型，旨在使得训练得到的模型能够同时获得记忆（memorization）和泛化（generization）能力：

• 记忆（体现准确性）：即从历史数据中发现item或者特征之间的相关性；
• 泛化（体现新颖性）：即相关性的传递，发现在历史数据中很少或者没有出现的新的特征组合。

2、Wide&Deep模型

2.1、模型结构

Wide&Deep模型结构图

在Wide&Deep模型中包括两个部分，分别为Wide和Deep部分，Wide部分如上图中的左图所示，Deep部分如上图中的右图所示。

2.2、Wide模型

Memorization主要是学习特征的共性或者说相关性，产生的推荐是和已经有用户行为的物品直接相关的物品。

用的模型是逻辑回归(logistic regression, LR)，LR 的优点就是简单(simple)、容易规模化(scalable)、可解释性强(interpretable)。LR 的特征往往是二值且稀疏的(binary and sparse)，这里同样采用 one-hot 编码，如 “user_installed_app=netflix”，如果用户安装了 Netflix，这个特征的值为 1，否则为 0。

为了达到 Memorization，我们对稀疏的特征采取 cross-product transformation，比如说 AND(user_installed_app=netflix, impression_app=pandora”) 这个特征，只有 Netflix 和 Pandora 两个条件都达到了，值才为 1，这类 feature 解释了 co-occurrence 和 target label 之间的关系。一个 cross-product transformation 的局限在于，对于在训练集里没有出现过的 query-item pair，它不能进行泛化(Generalization)

Wide模型的输入是用户安装应用（installation）和为用户展示（impression）的应用间的向量积（叉乘），模型通常训练one-hot编码后的二值特征，这种操作不会归纳出训练集中未出现的特征对。

实际上，Wide模型是一个广义线性模型：，其中特征是一个d维特征向量，特征包括原始输入特征以及cross-product transformation特征。交叉积转换为
为布尔变量，若第i个特征是第k个变换的一部分，值为1，否则为0。为模型参数。最终在y的基础上增加Sigmoid函数作为最终的输出。

2.3、Deep模型

Generalization可以理解为相关性的传递(transitivity)，会学习新的特征组合，来提高推荐物品的多样性，或者说提供泛化能力(Generalization)。

泛化往往是通过学习 low-dimensional dense embeddings 来探索过去从未或很少出现的新的特征组合来实现的，通常的 embedding-based model 有 Factorization Machines(FM) 和 Deep Neural Networks(DNN)。特殊兴趣或者小众爱好的用户，query-item matrix 非常稀疏，很难学习，然而 dense embedding 的方法还是可以得到对所有 query-item pair 非零的预测，这就会导致 over-generalize，推荐不怎么相关的物品。这点和 LR 正好互补，因为 LR 只能记住很少的特征组合。

为了达到 Generalization，文章引入新的小颗粒特征，如类别特征（安装了视频类应用，展示的是音乐类应用，等等）AND(user_installed_category=video, impression_category=music)，这些高维稀疏的类别特征（如人口学特征和设备类别）映射为低纬稠密的向量后，与其他连续特征（用户年龄、应用安装数等）拼接在一起，输入 MLP 中，最后输入逻辑输出单元。

Deep模型是一个前馈神经网络。深度神经网络模型通过需要的输入是连续的稠密特征，对于稀疏、高维的类别特征，通常首先将其转换为低维的向量，这个过程也称为embedding。

在训练的时候首先随机初始化embedding向量，并在模型的训练过程中通过最小化损失函数来优化模型，逐渐修改该向量的值，即将向量作为参数参与模型的训练。

隐层的计算方法为：

其中，f为激活函数，如ReLus。
基于embedding的深度模型的输入是类别特征（生成embedding）+连续特征。

2.4、Wide&Deep模型联合训练

联合训练是指同时训练Wide模型和Deep模型，并将两个模型的输出算log odds ratio然后加权求和作为最终的预测结果：

联合训练和embedding方法是不同的。embedding把不同的部分分开训练，这个过程中不同的模型相互之间不知道彼此的存在，也不会互相影响。但在联合训练中，整个网络同时被训练，梯度的反向传播同时影响整个模型的所有部分，使用mini-batch SGD来训练模型。

训练方法：

• Wide模型：FTRL 各大公司广泛使用的在线学习算法FTRL详解
  
  其中，式中第一项是对损失函数的贡献的一个估计，第二项是控制w（也就是model）在每次迭代中变化不要太大，第三项代表L1正则（获得稀疏解），表示学习速率。学习速率可以通过超参数自适应学习。，下角标表示第t次迭代，第i维特征，为超参数。
  https://blog.csdn.net/a819825294/article/details/51227265
  https://blog.csdn.net/fangqingan_java/article/details/51020653
• Deep模型：AdaGrad
  在一般的梯度下降法中，对每一个参数的训练都使用了相同的学习率α。Adagrad算法能够在训练中自动的对学习率进行调整，对于出现频率较低参数采用较大的α更新；相反，对于出现频率较高的参数采用较小的α更新。因此，Adagrad非常适合处理稀疏数据。
  http://www.cnblogs.com/xianhan/p/9347523.html
  https://blog.csdn.net/u012759136/article/details/52302426

3、apps的推荐系统

将上述Wide&Deep模型应用在Google play的apps推荐中。

3.1、 推荐系统

推荐系统的一般结构如下所示：

overview of RS

当一个用户访问App Store时，会产生一个请求，请求到达推荐系统后，推荐系统为该用户返回推荐的apps列表。
在实际的推荐系统中，通常将推荐的过程分为两个部分，检索系统(retrieval)和排序系统(ranking)，retrieval从数据库中检索出与用户相关的最匹配query的一些apps，这里的检索通常会结合采用机器学习模型和人工定义规则两种方法。从大规模样本中召回最佳候选集后，ranking负责对这些检索出的apps打分、排序，最终按照分数的高低返回相应的列表给用户。分数P(y|x)，y是用户采取的行动（例如下载），x是特征包括：

• user features:eg, country, language, demographics
• contextual features: eg, device, hour of the day, day of the week
• impression features: eg, app age, historical statistics of an app

WDL就是用在排序系统中。

3.2、apps推荐的特征

模型的训练之前，最重要的工作是训练数据的准备以及特征的选择，在apps推荐中，可使用到的数据包括用户数据和曝光数据，因此，每一条样本对应了一条曝光数据。样本点标签为1表示安装，0表示未安装。
对于类别特征，通过词典(vocabularies)将其映射成向量；对于连续的实值特征，将其归一化到区间[0,1]。

Wide&Deep 模型 for apps recommendation

3.3、度量的标准

度量的指标有两个，分别针对在线的度量和离线的度量，在线时通过A/B test，最终利用安装率（acquisition）；离线则使用AUC作为评价模型的指标。

4、代码介绍

数据源：UCI开源数据集Adult
针对美国某区域的一次人口普查结果，共32561条数据，具体字段如下：

列名解释

from __future__ import print_function

import tensorflow as tf
import tempfile
import pandas as pd
import numpy as np
import warnings
warnings.filterwarnings("ignore")

# Categorical base columns.构建低维离散特征
gender = tf.contrib.layers.sparse_column_with_keys(column_name="gender", keys=["Female", "Male"])
race = tf.contrib.layers.sparse_column_with_keys(column_name="race", keys=["Amer-Indian-Eskimo", "Asian-Pac-Islander", "Black", "Other", "White"])
education = tf.contrib.layers.sparse_column_with_hash_bucket("education", hash_bucket_size=1000)
relationship = tf.contrib.layers.sparse_column_with_hash_bucket("relationship", hash_bucket_size=100)
workclass = tf.contrib.layers.sparse_column_with_hash_bucket("workclass", hash_bucket_size=100)
occupation = tf.contrib.layers.sparse_column_with_hash_bucket("occupation", hash_bucket_size=1000)
native_country = tf.contrib.layers.sparse_column_with_hash_bucket("native_country", hash_bucket_size=1000)

# Continuous base columns.
age = tf.contrib.layers.real_valued_column("age")#构建连续型实数特征
age_buckets = tf.contrib.layers.bucketized_column(age, boundaries=[18, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65])
education_num = tf.contrib.layers.real_valued_column("education_num")
capital_gain = tf.contrib.layers.real_valued_column("capital_gain")
capital_loss = tf.contrib.layers.real_valued_column("capital_loss")
hours_per_week = tf.contrib.layers.real_valued_column("hours_per_week")

wide_columns = [
  gender, native_country, education, occupation, workclass, relationship, age_buckets,
#构建离散组合特征
  tf.contrib.layers.crossed_column([education, occupation], hash_bucket_size=int(1e4)),
  tf.contrib.layers.crossed_column([native_country, occupation], hash_bucket_size=int(1e4)),
  tf.contrib.layers.crossed_column([age_buckets, education, occupation], hash_bucket_size=int(1e6))]

deep_columns = [
#构建embedding特征
  tf.contrib.layers.embedding_column(workclass, dimension=8),
  tf.contrib.layers.embedding_column(education, dimension=8),
  tf.contrib.layers.embedding_column(gender, dimension=8),
  tf.contrib.layers.embedding_column(relationship, dimension=8),
  tf.contrib.layers.embedding_column(native_country, dimension=8),
  tf.contrib.layers.embedding_column(occupation, dimension=8),
  age, education_num, capital_gain, capital_loss, hours_per_week]

model_dir = tempfile.mkdtemp()
'''
定义分类模型
n_classes// 分类数目，默认是二分类，>2进行多分类 ；weight_column_name // 训练实例的权重；
linear_optimizer = tf.train.FtrlOptimizer( ...) // 线性模型权重更新的optimizer；
dnn_optimizer=tf.train.AdagradOptimizer( ...) // DNN模型权重更新的optimizer
'''
m = tf.contrib.learn.DNNLinearCombinedClassifier(
    model_dir=model_dir,#模型目录
    linear_feature_columns=wide_columns,#输入线性模型的feature columns
    dnn_feature_columns=deep_columns,#输入DNN模型的feature columns
    dnn_hidden_units=[100, 50])#DNN模型隐层单元数

# Define the column names for the data sets.
COLUMNS = ["age", "workclass", "fnlwgt", "education", "education_num",
  "marital_status", "occupation", "relationship", "race", "gender",
  "capital_gain", "capital_loss", "hours_per_week", "native_country", "income_bracket"]
LABEL_COLUMN = 'label'
CATEGORICAL_COLUMNS = ["workclass", "education", "marital_status", "occupation",
                       "relationship", "race", "gender", "native_country"]
CONTINUOUS_COLUMNS = ["age", "education_num", "capital_gain", "capital_loss",
                      "hours_per_week"]

# Download the training and test data to temporary files.
# Alternatively, you can download them yourself and change train_file and
# test_file to your own paths.
#train_file = tempfile.NamedTemporaryFile()
#test_file = tempfile.NamedTemporaryFile()
#urllib.request.urlretrieve("http://mlr.cs.umass.edu/ml/machine-learning-databases/adult/adult.data", train_file.name)
#urllib.request.urlretrieve("http://mlr.cs.umass.edu/ml/machine-learning-databases/adult/adult.test", test_file.name)

# Read the training and test data sets into Pandas dataframe.
df_train = pd.read_csv('F:/method codes/adult.data.csv', names=COLUMNS, skipinitialspace=True)
df_test = pd.read_csv('F:/method codes/adult.test.csv', names=COLUMNS, skipinitialspace=True, skiprows=1)
df_train[LABEL_COLUMN] = (df_train['income_bracket'].apply(lambda x: '>50K' in x)).astype(int)
df_test[LABEL_COLUMN] = (df_test['income_bracket'].apply(lambda x: '>50K' in x)).astype(int)

def input_fn(df):#定义如何从输入的dataframe构建特征和标记:
  # Creates a dictionary mapping from each continuous feature column name (k) to
  # the values of that column stored in a constant Tensor.
'''
tf.constant构建constant tensor，df[k].values是对应feature column的值构成的list
'''
  continuous_cols = {k: tf.constant(df[k].values)
                     for k in CONTINUOUS_COLUMNS}
  # Creates a dictionary mapping from each categorical feature column name (k)
  # to the values of that column stored in a tf.SparseTensor.
#tf.SparseTensor构建sparse tensor，SparseTensor由indices,values, dense_shape三个dense tensor构成，
#indices中记录非零元素在sparse tensor的位置，values是indices中每个位置的元素的值，dense_shape指定
#sparse tensor中每个维度的大小。
'''
以下代码为每个category column构建一个[df[k].size，1]的二维的SparseTensor。
'''
  categorical_cols = {k: tf.SparseTensor(
      indices=[[i, 0] for i in range(df[k].size)],
      values=df[k].values,
      dense_shape=[df[k].size, 1])
                      for k in CATEGORICAL_COLUMNS}
  # Merges the two dictionaries into one.
'''
用以下示意图来表示以上代码构建的sparse tensor label是一个 constant tensor，记录每个实例的 label
'''
  feature_cols = dict(list(continuous_cols.items()) + list(categorical_cols.items()))
# features是continuous_cols和categorical_cols的union构成的dict 
# dict中每个entry的key是feature column的name，value是feature column值的tensor
  # Converts the label column into a constant Tensor.
  label = tf.constant(df[LABEL_COLUMN].values)
  # Returns the feature columns and the label.
  return feature_cols, label

def train_input_fn():
  return input_fn(df_train)

def eval_input_fn():
  return input_fn(df_test)

print('df_train shape:',np.array(df_train).shape)
print('df_test shape:',np.array(df_test).shape)

m.fit(input_fn=train_input_fn, steps=200)#训练模型
results = m.evaluate(input_fn=eval_input_fn, steps=1)#模型评测
for key in sorted(results):
    print("%s: %s" % (key, results[key]))
#https://blog.csdn.net/a819825294/article/details/71080472
#https://www.sohu.com/a/190148302_115128

参考资料：https://www.jianshu.com/p/28a1849f6707
https://blog.csdn.net/google19890102/article/details/78171283