「札记」推荐系统实践
《推荐系统实践》
推荐算法的本质是通过一定的方式将用户和物品联系起来，而不同的推荐系统利用了不同的方式。一方面帮助用户发现对自己有价值的信息，另一方面让信息能够展现在对它感兴趣的用户面前，从而实现信息消费者和信息生产者的双赢。
搜索引擎需要用户主动提供准确的关键词来寻找信息，因此不能解决用户的很多其他需求，比如当用户无法找到准确描述自己需求的关键词时，搜索引擎就无能为力了。和搜索引擎不同的是，推荐系统不需要用户提供明确的需求，而是通过分析用户的历史行为给用户的兴趣建模，从而主动给用户推荐能够满足他们兴趣和需求的信息。
我们也许会打开聊天工具，找几个经常看电影的好朋友，问问他们有没有什么电影可以推荐。甚至，我们可以打开微博，发表一句 “我要看电影”，然后等待热心人推荐电影。这种方式在推荐系统中称为社会化推荐（social recommendation），即让好友给自己推荐物品。
推荐系统可以将上述过程自动化，通过分析用户曾经看过的电影找到用户喜欢的演员和导演，然后给用户推荐这些演员或者导演的其他电影。这种推荐方式在推荐系统中称为基于内容的推荐（ content-based filtering）。
这种方式可以进一步扩展：如果能找到和自己历史兴趣相似的一群用户，看看他们最近在看什么电影，那么结果可能比宽泛的热门排行榜更能符合自己的兴趣。这种方式称为基于协同过滤（ collaborative filtering）的推荐。
好的推荐系统不仅仅能够准确预测用户的行为，而且能够扩展用户的视野，帮助用户发现那些他们可能会感兴趣，但却不那么容易发现的东西。同时，推荐系统还要能够帮助商家将那些被埋没在长尾中的好商品介绍给可能会对它们感兴趣的用户。这也正是《长尾理论》的作者在书中不遗余力介绍推荐系统的原因。
为了全面评测推荐系统对三方利益的影响，将从不同角度出发，提出不同的指标。这些指标包括准确度、覆盖度、新颖度、惊喜度、信任度、透明度等。这些指标中，有些可以离线计算，有些只有在线才能计算，有些只能通过用户问卷获得。
评分预测，很多提供推荐服务的网站都有一个让用户给物品打分的功能。如果知道了用户对物品的历史评分，就可以从中习得用户的兴趣模型，并预测该用户在将来看到一个他没有评过分的物品时，会给这个物品评多少分。预测用户对物品评分的行为称为评分预测。
TopN推荐 网站在提供推荐服务时，一般是给用户一个个性化的推荐列表，这种推荐叫做TopN推荐。TopN推荐的预测准确率一般通过准确率（precision）/召回率（recall）度量。
覆盖率 覆盖率（ coverage）描述一个推荐系统对物品长尾的发掘能力。覆盖率有不同的定义方法，最简单的定义为推荐系统能够推荐出来的物品占总物品集合的比例。一个好的推荐系统不仅需要有比较高的用户满意度，也要有较高的覆盖率。为了更细致地描述推荐系统发掘长尾的能力，需要统计推荐列表中不同物品出现次数的分布。如果所有的物品都出现在推荐列表中，且出现的次数差不多，那么推荐系统发掘长尾的能力就很好。因此，可以通过研究物品在推荐列表中出现次数的分布描述推荐系统挖掘长尾的能力。如果这个分布比较平，那么说明推荐系统的覆盖率较高，而如果这个分布较陡峭，说明推荐系统的覆盖率较低。在信息论和经济学中有两个著名的指标可以用来定义覆盖率。第一个是信息熵：这里p（i）是物品i的流行度除以所有物品流行度之和。 第二个指标是基尼系数（Gini Index）：这里，ij是按照物品流行度p（）从小到大排序的物品列表中第j个物品。
推荐系统是否有马太效应呢？推荐系统的初衷是希望消除马太效应，使得各种物品都能被展示给对它们感兴趣的某一类人群。但是，很多研究表明现在主流的推荐算法（比如协同过滤算法）是具有马太效应的。评测推荐系统是否具有马太效应的简单办法就是使用基尼系数。如果 G1是从初始用户行为中计算出的物品流行度的基尼系数，G2是从推荐列表中计算出的物品流行度的基尼系数，那么如果G2＞G1，就说明推荐算法具有马太效应。
新颖性，新颖的推荐是指给用户推荐那些他们以前没有听说过的物品。在一个网站中实现新颖性的最简单办法是，把那些用户之前在网站中对其有过行为的物品从推荐列表中过滤掉。评测新颖度的最简单方法是利用推荐结果的平均流行度，因为越不热门的物品越可能让用户觉得新颖。但是，用推荐结果的平均流行度度量新颖性比较粗略，因为不同用户不知道的东西是不同的。因此，要准确地统计新颖性需要做用户调查。通过牺牲精度来提高多样性和新颖性是很容易的，而困难的是如何在不牺牲精度的情况下提高多样性和新颖性。
惊喜度，惊喜度（ serendipity）是最近这几年推荐系统领域最热门的话题。但什么是惊喜度，惊喜度与新颖性有什么区别是首先需要弄清楚的问题。如果推荐结果和用户的历史兴趣不相似，但却让用户觉得满意，那么就可以说推荐结果的惊喜度很高，而推荐的新颖性仅仅取决于用户是否听说过这个推荐结果。那么，定义惊喜度需要首先定义推荐结果和用户历史上喜欢的物品的相似度，其次需要定义用户对推荐结果的满意度。前面也曾提到，用户满意度只能通过问卷调查或者在线实验获得，而推荐结果和用户历史上喜欢的物品相似度一般可以用内容相似度定义。也就是说，如果获得了一个用户观看电影的历史，得到这些电影的演员和导演集合A，然后给用户推荐一个不属于集合A的导演和演员创作的电影，而用户表示非常满意，这样就实现了一个惊喜度很高的推荐。因此提高推荐惊喜度需要提高推荐结果的用户满意度，同时降低推荐结果和用户历史兴趣的相似度。
信任度，对于基于机器学习的自动推荐系统，同样存在信任度（ trust）的问题，如果用户信任推荐系统，那就会增加用户和推荐系统的交互。提高推荐系统的信任度主要有两种方法。首先需要增加推荐系统的透明度（transparency），而增加推荐系统透明度的主要办法是提供推荐解释。只有让用户了解推荐系统的运行机制，让用户认同推荐系统的运行机制，才会提高用户对推荐系统的信任度。其次是考虑用户的社交网络信息，利用用户的好友信息给用户做推荐，并且用好友进行推荐解释。这是因为用户对他们的好友一般都比较信任，因此如果推荐的商品是好友购买过的，那么他们对推荐结果就会相对比较信任。
实时性，在很多网站中，因为物品（新闻、微博等）具有很强的时效性，所以需要在物品还具有时效性时就将它们推荐给用户。比如，给用户推荐昨天的新闻显然不如给用户推荐今天的新闻。因此，在这些网站中，推荐系统的实时性就显得至关重要。推荐系统的实时性包括两个方面。首先，推荐系统需要实时地更新推荐列表来满足用户新的行为变化。比如，当一个用户购买了 iPhone，如果推荐系统能够立即给他推荐相关配件，那么肯定比第二天再给用户推荐相关配件更有价值。很多推荐系统都会在离线状态每天计算一次用户推荐列表，然后于在线期间将推荐列表展示给用户。这种设计显然是无法满足实时性的。与用户行为相应的实时性，可以通过推荐列表的变化速率来评测。如果推荐列表在用户有行为后变化不大，或者没有变化，说明推荐系统的实时性不高。 实时性的第二个方面是推荐系统需要能够将新加入系统的物品推荐给用户。这主要考验了推荐系统处理物品冷启动的能力。对于新物品推荐能力，我们可以利用用户推荐列表中有多大比例的物品是当天新加的来评测。
健壮性，任何一个能带来利益的算法系统都会被人攻击，这方面最典型的例子就是搜索引擎。搜索引擎的作弊和反作弊斗争异常激烈，这是因为如果能让自己的商品成为热门搜索词的第一个搜索果，会带来极大的商业利益。推荐系统目前也遇到了同样的作弊问题，而健壮性（即 robust，鲁棒性）指标衡量了一个推荐系统抗击作弊的能力。2011年的推荐系统大会专门有一个关于推荐系统健壮性的教程[27]。作者总结了很多作弊方法，其中最著名的就是行为注入攻击（profile injection attack）。众所周知，绝大部分推荐系统都是通过分析用户的行为实现推荐算法的。比如，亚马逊有一种推荐叫做“购买商品A的用户也经常购买的其他商品”。它的主要计算方法是统计购买商品A的用户购买其他商品的次数。那么，我们可以很简单地攻击这个算法，让自己的商品在这个推荐列表中获得比较高的排名，比如可以注册很多账号，用这些账号同时购买A和自己的商品。还有一种攻击主要针对评分系统，比如豆瓣的电影评分。这种攻击很简单，就是雇用一批人给自己的商品非常高的评分，而评分行为是推荐系统依赖的重要用户行为。 算法健壮性的评测主要利用模拟攻击。首先，给定一个数据集和一个算法，可以用这个算法给这个数据集中的用户生成推荐列表。然后，用常用的攻击方法向数据集中注入噪声数据，然后利用算法在注入噪声后的数据集上再次给用户生成推荐列表。最后，通过比较攻击前后推荐列表的相似度评测算法的健壮性。如果攻击后的推荐列表相对于攻击前没有发生大的变化，就说明算法比较健壮。在实际系统中，提高系统的健壮性，除了选择健壮性高的算法，还有以下方法。1.设计推荐系统时尽量使用代价比较高的用户行为。比如，如果有用户购买行为和用户浏览行为，那么主要应该使用用户购买行为，因为购买需要付费，所以攻击购买行为的代价远远大于攻击浏览行为。2.在使用数据前，进行攻击检测，从而对数据进行清理。
在评测系统中还需要考虑评测维度，比如一个推荐算法，虽然整体性能不好，但可能在某种情况下性能比较好，而增加评测维度的目的就是知道一个算法在什么情况下性能最好。这样可以为融合不同推荐算法取得最好的整体性能带来参考。 一般来说，评测维度分为如下 3种。1.用户维度，主要包括用户的人口统计学信息、活跃度以及是不是新用户等。2.物品维度，包括物品的属性信息、流行度、平均分以及是不是新加入的物品等。3.时间维度，包括季节，是工作日还是周末，是白天还是晚上等。 如果能够在推荐系统评测报告中包含不同维度下的系统评测指标，就能帮我们全面地了解推荐系统性能，找到一个看上去比较弱的算法的优势，发现一个看上去比较强的算法的缺点。
实现个性化推荐的最理想情况是用户能在注册的时候主动告诉我们他喜欢什么，但这种方法有 3个缺点：首先，现在的自然语言理解技术很难理解用户用来描述兴趣的自然语言；其次，用户的兴趣是不断变化的，但用户不会不停地更新兴趣描述；最后，很多时候用户并不知道自己喜欢什么，或者很难用语言描述自己喜欢什么。因此，我们需要通过算法自动发掘用户行为数据，从用户的行为中推测出用户的兴趣，从而给用户推荐满足他们兴趣的物品。
用户行为在个性化推荐系统中一般分两种 ——显性反馈行为（explicit feedback）和隐性反馈行为（implicit feedback）。显性反馈行为包括用户明确表示对物品喜好的行为。很多网站都使用了5分的评分系统来让用户直接表达对物品的喜好，但也有些网站使用简单的“喜欢”或者“不喜欢”按钮收集用户的兴趣。这些不同的显性反馈方式各有利弊。YouTube最早是用5分评分系统收集显性反馈的，但后来他们的研究人员统计了不同评分的评分数[1]，结果发现，用户最常用的评分是5分，其次是1分，其他的分数很少有用户打。因此，后来YouTube就把评分系统改成了两档评分系统（喜欢/不喜欢）。当然，我们举这个例子并不是试图说明一种评分系统比另一种好，而是要说明不同的网站需要根据自己的特点设计评分系统，而不是一味照搬其他网站的设计。YouTube的用户主要将精力放在看视频上，因此他们只有在特别不满或者特别满意时才会评分，因此二级评分系统就足够了。但如果是评论网站，用户主要将精力放在评论上，这时多级评分系统就是必要的。隐性反馈行为指的是那些不能明确反应用户喜好的行为。最具代表性的隐性反馈行为就是页面浏览行为。用户浏览一个物品的页面并不代表用户一定喜欢这个页面展示的物品，比如可能因为这个页面链接显示在首页，用户更容易点击它而已。相比显性反馈，隐性反馈虽然不明确，但数据量更大。在很多网站中，很多用户甚至只有隐性反馈数据，而没有显性反馈数据。按照反馈的明确性分，用户行为数据可以分为显性反馈和隐性反馈，但按照反馈的方向分，又可以分为正反馈和负反馈。
基于邻域的方法主要包含下面两种算法。 1.基于用户的协同过滤算法，这种算法给用户推荐和他兴趣相似的其他用户喜欢的物品。2.基于物品的协同过滤算法，这种算法给用户推荐和他之前喜欢的物品相似的物品。基于用户的协同过滤算法主要包括两个步骤。 （1）找到和目标用户兴趣相似的用户集合。 （2）找到这个集合中的用户喜欢的，且目标用户没有听说过的物品推荐给目标用户。 步骤（1）的关键就是计算两个用户的兴趣相似度。这里，协同过滤算法主要利用行为的相似度计算兴趣的相似度。基于物品的协同过滤算法主要分为两步。 （1）计算物品之间的相似度。 （2）根据物品的相似度和用户的历史行为给用户生成推荐列表。
LFM是一种基于机器学习的方法，具有比较好的理论基础。这个方法和基于邻域的方法（比如UserCF、ItemCF）相比，各有优缺点。下面将从不同的方面对比LFM和基于邻域的方法。1.理论基础，LFM具有比较好的理论基础，它是一种学习方法，通过优化一个设定的指标建立最优的模型。基于邻域的方法更多的是一种基于统计的方法，并没有学习过程。2.离线计算的空间复杂度，基于邻域的方法需要维护一张离线的相关表。在离线计算相关表的过程中，如果用户/物品数很多，将会占据很大的内存。假设有M个用户和N个物品，在计算相关表的过程中，我们可能会获得一张比较稠密的临时相关表（尽管最终我们对每个物品只保留K个最相关的物品，但在中间计算过程中稠密的相关表是不可避免的），那么假设是用户相关表，则需要O（MM）的空间，而对于物品相关表，则需要O（NN）的空间。而LFM在建模过程中，如果是F个隐类，那么它需要的存储空间是O（F*（M+N）），这在M和N很大时可以很好地节省离线计算的内存。在Netflix Prize中，因为用户数很庞大（40多万），很少有人使用UserCF算法（据说需要30GB左右的内存），而LFM由于大量节省了训练过程中的内存（只需要4GB），从而成为Netflix Prize中最流行的算法。3.离线计算的时间复杂度，假设有M个用户、N个物品、K条用户对物品的行为记录。那么，UserCF计算用户相关表的时间复杂度是O（N*（K/N）2），而ItemCF计算物品相关表的时间复杂度是O（M*（K/M）2）。而对于LFM，如果用F个隐类，迭代S次，那么它的计算复杂度是O（KFS）。那么，如果K/N＞FS，则代表UserCF的时间复杂度低于LFM，如果K/M＞FS，则说明ItemCF的时间复杂度低于LFM。在一般情况下，LFM的时间复杂度要稍微高于UserCF和ItemCF，这主要是因为该算法需要多次迭代。但总体上，这两种算法在时间复杂度上没有质的差别。4.在线实时推荐，UserCF和ItemCF在线服务算法需要将相关表缓存在内存中，然后可以在线进行实时的预测。以ItemCF算法为例，一旦用户喜欢了新的物品，就可以通过查询内存中的相关表将和该物品相似的其他物品推荐给用户。因此，一旦用户有了新的行为，而且该行为被实时地记录到后台的数据库系统中，他的推荐列表就会发生变化。而从LFM的预测公式可以看到，LFM在给用户生成推荐列表时，需要计算用户对所有物品的兴趣权重，然后排名，返回权重最大的N个物品。那么，在物品数很多时，这一过程的时间复杂度非常高，可达O（MNF）。因此，LFM不太适合用于物品数非常庞大的系统，如果要用，我们也需要一个比较快的算法给用户先计算一个比较小的候选列表，然后再用LFM重新排名。另一方面，LFM在生成一个用户推荐列表时速度太慢，因此不能在线实时计算，而需要离线将所有用户的推荐结果事先计算好存储在数据库中。因此，LFM不能进行在线实时推荐，也就是说，当用户有了新的行为后，他的推荐列表不会发生变化。 5.推荐解释，ItemCF算法支持很好的推荐解释，它可以利用用户的历史行为解释推荐结果。但LFM无法提供这样的解释，它计算出的隐类虽然在语义上确实代表了一类兴趣和物品，却很难用自然语言描述并生成解释展现给用户。
基于物品（ item-based）的个性化推荐算法是商用推荐系统中应用最广泛的，从前面几章的讨论可以看到，该算法由两个核心部分构成：1.利用用户行为离线计算物品之间的相似度；2.根据用户的历史行为和物品相似度矩阵，给用户做在线个性化推荐。时间信息在上面两个核心部分中都有重要的应用，这体现在两种时间效应上。1.物品相似度，用户在相隔很短的时间内喜欢的物品具有更高相似度。以电影推荐为例，用户今天看的电影和用户昨天看的电影其相似度在统计意义上应该大于用户今天看的电影和用户一年前看的电影的相似度。2.在线推荐，用户近期行为相比用户很久之前的行为，更能体现用户现在的兴趣。因此在预测用户现在的兴趣时，应该加重用户近期行为的权重，优先给用户推荐那些和他近期喜欢的物品相似的物品。
一个特征向量由特征以及特征的权重组成，在利用用户行为计算特征向量时需要考虑以下因素。 1.用户行为的种类，在一个网站中，用户可以对物品产生很多不同种类的行为。用户可以浏览物品、单击物品的链接、收藏物品、给物品打分、购买物品、评论物品、给物品打上不同的标签、和好友分享物品、搜索不同的关键词等。这些行为都会对物品特征的权重产生影响，但不同行为的影响不同，大多时候很难确定什么行为更加重要，一般的标准就是用户付出代价越大的行为权重越高。比如，购买物品需要用户掏钱，所以用户一定会三思而后行，因此购买行为最为重要。相反，浏览物品的网页代价很小，所以这种行为对反映用户的真实兴趣的影响很小。2.用户行为产生的时间，一般来说，用户近期的行为比较重要，而用户很久之前的行为相对比较次要。因此，如果用户最近购买过某一个物品，那么这个物品对应的特征将会具有比较高的权重。3.用户行为的次数，有时用户对一个物品会产生很多次行为。比如用户会听一首歌很多次，看一部电视剧的很多集等。因此用户对同一个物品的同一种行为发生的次数也反映了用户对物品的兴趣，行为次数多的物品对应的特征权重越高。4.物品的热门程度，如果用户对一个很热门的物品产生了行为，往往不能代表用户的个性，因为用户可能是在跟风，可能对该物品并没有太大兴趣，特别是在用户对一个热门物品产生了偶尔几次不重要的行为（比如浏览行为）时，就更说明用户对这个物品可能没有什么兴趣，可能只是因为这个物品的链接到处都是，很容易点到而已。反之，如果用户对一个不热门的物品产生了行为，就说明了用户的个性需求。因此，推荐引擎在生成用户特征时会加重不热门物品对应的特征的权重。
提出了 10条在设计推荐系统中学习到的经验和教训。 （1）确定你真的需要推荐系统。推荐系统只有在用户遇到信息过载时才必要。如果你的网站物品不太多，或者用户兴趣都比较单一，那么也许并不需要推荐系统。所以不要纠结于推荐系统这个词，不要为了做推荐系统而做推荐系统，而是应该从用户的角度出发，设计出能够真正帮助用户发现内容的系统，无论这个系统算法是否复杂，只要能够真正帮助用户，就是一个好的系统。 （2）确定商业目标和用户满意度之间的关系。对用户好的推荐系统不代表商业上有用的推荐系统，因此要首先确定用户满意的推荐系统和商业上需求的差距。一般来说，有些时候用户满意和商业需求并不吻合。但是一般情况下，用户满意度总是符合企业的长期利益，因此这一条的主要观点是要平衡企业的长期利益和短期利益之间的关系。 （3）选择合适的开发人员。一般来说，如果是一家大公司，应该雇用自己的开发人员来专门进行推荐系统的开发。 （4）忘记冷启动的问题。不断地创新，互联网上有任何你想要的数据。只要用户喜欢你的产品，他们就会不断贡献新的数据。 （5）平衡数据和算法之间的关系。使用正确的用户数据对推荐系统至关重要。对用户行为数据的深刻理解是设计好推荐系统的必要条件，因此分析数据是设计系统中最重要的部分。数据分析决定了如何设计模型，而算法只是决定了最终如何优化模型。 （6）找到相关的物品很容易，但是何时以何种方式将它们展现给用户是很困难的。不要为了推荐而推荐。 （7）不要浪费时间计算相似兴趣的用户，可以直接利用社会网络数据。 （8）需要不断地提升算法的扩展性。 （9）选择合适的用户反馈方式。 （10）设计合理的评测系统，时刻关注推荐系统各方面的性能。
