Deep Interest Evolution Network for Click-Through Rate Prediction

目标：CTR预估
文中指出以前的模型忽略了用户行为背后真实的用户兴趣，并且用户的兴趣是在不断进化的，捕捉兴趣的动态变化对于兴趣表达非常重要。
本文提出了Deep Interest Evolution Network(DIEN)模型，DIEN的两大核心模块为：
•从用户的行为中抽取隐含的时序兴趣。
•对兴趣的进化过程进行建模。

Deep Interest Evolution Network

DIEN主要由以下几部分组成：
•特征经过embedding layer的转换。
•Interest extractor layer基于用户的行为序列来抽取兴趣序列。
•Interest evolving layer对目标物品相关的兴趣进化过程建模。
•最后的兴趣表示向量和其他的embedding vector concatenate成一个长向量，放入MLP进行最终的预测。

显然整个模型的核心创新点在于Interest extractor layer和Interest evolving layer。

Interest Extractor Layer

用户的潜在兴趣体现在用户的行为中，当用户采取一个行为时，他的兴趣会发生一些变化。在Interest extractor layer，从用户的行为序列中抽取一系列的兴趣状态。
使用GRU单元来对用户行为建模，输入为根据发生时间排序的行为序列。GRU克服了RNN的梯度消失问题，并且快于LSTM，因此非常适用于电商系统。
GRU单元的公式为

(3)和(4)分别是更新门和相关门。
然而，hidden state h只是捕捉了行为直接的依赖关系，并不能有效的表达用户兴趣。对于目标物品的点击行为由最终的兴趣触发，最终的label Ltarget只是对最终兴趣的预测结果起到了监督作用，而历史状态ht不能得到有效的监督。(这里讨论时的loss为二分类的log loss)
考虑到每一步的兴趣状态直接导致了连续的行为，本文提出了auxiliary loss，使用行为b(t+1)来监督兴趣状态ht的学习。除了使用真实的下一行为作为正例，还从未点击的物品中采样一部分负样本。

(上面符号太多了，懒得手打一遍=.=)
总之，上面这部分定义了auxiliary loss，并且最终的loss由预测loss Ltarget和Laux两部分组成，并通过超参数α来调整权重。
引入auxiliary loss的好处在于：
•从兴趣学习的角度，auxiliary loss的引入使得GRU单元的隐状态更好的表达兴趣。
•从GRU优化的角度，auxiliary loss的引入使GRU减少了对长历史行为序列建模时back pop的难度。
•auxiliary loss的引入给embedding layer的learning带来了更多语义信息，可以获得更好的embedding matrix。

Interest Evolving Layer

用户兴趣随着时间在不断进化，对兴趣进化过程进行建模的优势在于：
•兴趣进化模块能够使最终兴趣的表达带有更多相关的历史信息。
•能够更好的预测目标物品的CTR。

在兴趣进化的过程中，会有两个现象：
•对于不同的兴趣，兴趣可能产生偏移现象。比如用户在一段时间内对书感兴趣，在另一段时间内对衣服感兴趣。
•虽然兴趣之间可能相互影响，但每个兴趣有自身的进化过程，比如对于书的兴趣和对于衣服的兴趣进化过程几乎是独立的。因此，只考虑和目标物品相关的进化过程。

在前面通过auxiliary loss已经获得了兴趣序列的表示。通过分析兴趣进化过程的特性，本文结合了attention机制的局部激活能力和GRU单元的序列学习能力来进行建模。GRU每一步中的局部激活可以增强相关兴趣的影响，减弱兴趣偏移的扰动。
和前面提到的式(3)-(6)一样，使用i't, h't来表示兴趣进化模块中GRU的输入和隐状态，GRU的输入为对应的Interest Extractor Layer抽取的兴趣状态，i't = ht。最终的隐状态h'T表示最后的兴趣状态。
兴趣进化模块的attention函数为

attention score综合考虑了广告ea和输入的兴趣ht，如果某一兴趣和目标广告相关程度高，那么attention score就大，反之则小。(这里的attention score计算方式是非常值得学习的)

接下来介绍了几种结合attention机制和GRU的方式。

GRU with attentional input (AIGRU)

AIGRU是本文提出的一种方法，通过attention score来影响interest evolving layer的输入，即

然而AIGRU的表现并不好，因为即使输入为0也能改变GRU单元的隐状态，因此不那么相关的兴趣仍然在影响兴趣进化的学习。

Attention based GRU(AGRU)

AGRU是在2016年关于question answering的paper中被第一次提出的。AGRU使用attention score来直接代替GRU中的更新门，直接改变了GRU中的隐状态

GRU with attentional update gate (AUGRU)

AGRU单元仍然有一些不足，attention score at是一个标量，代替了原来的更新门ut(向量)，忽略了不同维度重要性的不同。本文又提出了AUGRU，更好的结合attention机制和GRU单元