百度电影推荐系统比赛——初步推荐算法实践

前一阵子参加了百度的电影推荐系统创新比赛。http://openresearch.baidu.com/activitycontent.jhtml?channelId=284 。 之前没有实现过推荐算法，想趁这次机会锻炼一下。虽然成绩并不好，RMSE只有0.6214，没有挤进前30。

任务描述：从用户的历史评分数据：userid,movieid,rating， 即用户对某个电影的评分，预测用户将会对一个未评分的电影打多少分。主办方还提供了用户的朋友关系，电影的类别等信息，但是这些我都没用上（原因最后分析），所以就只关心用户的历史行为数据。

这是一个评分预测问题。主要有两种途径：1 协同过滤 和 2 基于内容的过滤。 其中协同过滤用的最多，我也只实现了它。下面都是协同过滤的算法。

1 User-based collaborative filtering 基于用户的协同过滤

用户u和用户v有各自的评分记录 rating_list， 基于这个历史评分记录，我们可以计算u和v的相似度。相似度的计算公式有很多种，比如余弦相似度、皮尔森相似度等。（具体的公式可以网上搜）。我使用的是自己改进的公式（因为自己觉得比较靠谱）：

其中N(u)指u评过分的电影集合。dis就是指两个评分的绝对值差。因为电影评分都是1~5之间的，比如u评分5，v评分4，那么dis就是1， 2-1=1， 对w_uv有1的正分贡献。除以Log(1+N(i))的原因：如果电影很流行，比如泰坦尼克号，大家都看，那么对u和v的相似度影响应该小；相反，如果看过电影i的人很少，比如电梯里的恶魔，那么i对u和v用户的影响就应该更大。

现在有了用户之间的相似度关系。要预测用户u对电影i的评分。取出所有对i评过分的用户。从中取出相似度最高的K个用户，以他们的打分做加权平均，得到的分数就是对用户u的预测。所以有些人也把这种算法称为“基于邻居”的预测。(knn)

技巧： 做加权平均的时候，权值一般设为相似度w。但是有学者认为权值要经过训练估计，得到的结果比较好。“Modeling relationships at multiple scales to improve accuracy of large recommender systems”

结果： RMSE = 0.6638

2 Item-based collaborative filtering 基于物品的协同过滤

和user-based思路基本一样，只不过，刚才是计算用户之间的相似度，现在换成计算电影间的相似度。有点类似对偶问题。

效果：RMSE=0.6483

点评：据经验总结，Item-based 的效果比user-based好，而且占内存小。因为电影的数量要比用户的数量少很多。

把 user-based 和item-based的结果加权： RMSE= 0.6343

3 SVD和pmf

下面就谈谈最流行的矩阵分解途径吧。 参考的是两篇论文"matrix factorization techniques for recommender systems" 和 "Probabilistic matrix factorization"

把用户-电影 评分看成一个矩阵，r ui 表示u对电影i的评分。这个矩阵是很稀疏的，很多元素都缺失。一般来说填充率不到1%。然后假定每个用户u都有一个D维的向量，表示他对不同风格的电影的偏好，每个电影i也有一个D维的向量表示不同风格的用户对它的偏好。 于是电影的评分矩阵可以这样来估计：

p 和q就是D维的向量。用梯度下降法训练p和q，迭代几十次就收敛了。但是这样的SVD很容易就过拟合，所以需要加一些约束。具体的约束请看那两篇论文，这里只将一种：要优化的目标函数变为：

对它求导，可以发现每次迭代的时候，p和q的更新公式变成：

加入了一些约束之后，就可以避免过拟合。或许有些人不知道什么是过拟合的后果，这里顺便也把图贴上来：

虚线的线，前期RMSE下降的很快，后来又上升了，成V型，就是过拟合的表现了。

还有一种 bayesian probabilistic matrix factorization（http://www.utstat.toronto.edu/~rsalakhu/BPMF.html ）， 效果很赞，有源码，可以直接使用。

效果： RMSE= 0.6302

4 后处理

主要针对特殊用户。 1 是评分很少的用户，比如评分数只有7个以下的。经统计这些用户的评分，猜测这些人是精心挑选好电影看的，所以给他们的打分直接设成平均分多一分。

2 是评分一直很稳定的用户。有两种情况，一种是电影托，第二是用户比较随意，随意给分的。所以对他们的结果，直接预测为他们历史的平均值。

5 各种算法的加权平均

最后把几种算法的结果加权平均起来，RMSE=0.6214。 前netflix冠军队是整合了他们的108个模型的结果，对此我只能呵呵了。"the BellKor solution to the Netflix Prize"

最后，因为是我第一次参加推荐系统的实践，很多经验都不足，希望能多和大家交流切磋。