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探索推荐引擎内部的秘密-2-深入推荐机制

这一章的篇幅,将详细介绍各个推荐机制的工作原理,它们的优缺点以及应用场景。

基于人口统计学的推荐

基于人口统计学的推荐机制(Demographic-based Recommendation)是一种最易于实现的推荐方法,它只是简单的根据系统用户的基本信息发现用户的相关程度,然后将相似用户喜爱的其他物品推荐给当前用户,图 2 给出了这种推荐的工作原理。

图 2. 基于人口统计学的推荐机制的工作原理

基于人口统计学的推荐机制的工作原理

从图中可以很清楚的看到,首先,系统对每个用户都有一个用户 Profile 的建模,其中包括用户的基本信息,例如用户的年龄,性别等等;然后,系统会根据用户的 Profile 计算用户的相似度,可以看到用户 A 的 Profile 和用户 C 一样,那么系统会认为用户 A 和 C 是相似用户,在推荐引擎中,可以称他们是“邻居”;最后,基于“邻居”用户群的喜好推荐给当前用户一些物品,图中将用户 A 喜欢的物品 A 推荐给用户 C。

这种基于人口统计学的推荐机制的好处在于:

  1. 因为不使用当前用户对物品的喜好历史数据,所以对于新用户来讲没有“冷启动(Cold Start)”的问题。

  2. 这个方法不依赖于物品本身的数据,所以这个方法在不同物品的领域都可以使用,它是领域独立的(domain-independent)。

那么这个方法的缺点和问题是什么呢?这种基于用户的基本信息对用户进行分类的方法过于粗糙,尤其是对品味要求较高的领域,比如图书,电影和音乐等领域,无法得到很好的推荐效果。可能在一些电子商务的网站中,这个方法可以给出一些简单的推荐。另外一个局限是,这个方法可能涉及到一些与信息发现问题本身无关却比较敏感的信息,比如用户的年龄等,这些用户信息不是很好获取。

基于内容的推荐

基于内容的推荐是在推荐引擎出现之初应用最为广泛的推荐机制,它的核心思想是根据推荐物品或内容的元数据,发现物 品或者内容的相关性,然后基于用户以往的喜好记录,推荐给用户相似的物品。图 3 给出了基于内容推荐的基本原理。

图 3. 基于内容推荐机制的基本原理

基于内容推荐机制的基本原理

图 3 中给出了基于内容推荐的一个典型的例子,电影推荐系统,首先我们需要对电影的元数据有一个建模,这里只简单的描述了一下电影的类型;然后通过电影的元数据发现电影间的相似度,因为类型都是“爱情,浪漫”电影 A 和 C 被认为是相似的电影(当然,只根据类型是不够的,要得到更好的推荐,我们还可以考虑电影的导演,演员等等);最后实现推荐,对于用户 A,他喜欢看电影 A,那么系统就可以给他推荐类似的电影 C。

这种基于内容的推荐机制的好处在于它能很好的建模用户的口味,能提供更加精确的推荐。但它也存在以下几个问题:

  • 需要对物品进行分析和建模,推荐的质量依赖于对物品模型的完整和全面程度。在现在的应用中我们可以观察到关键词和标签(Tag)被认为是描述物品元数据的一种简单有效的方法。
  • 物品相似度的分析仅仅依赖于物品本身的特征,这里没有考虑人对物品的态度。
  • 因为需要基于用户以往的喜好历史做出推荐,所以对于新用户有“冷启动”的问题。

虽然这个方法有很多不足和问题,但他还是成功的应用在一些电影,音乐,图书的社交站点,有些站点还请专业的人员对物品进行基因编码,比如潘多拉,在一份报告中说道,在潘多拉的推荐引擎中,每首歌有超过 100 个元数据特征,包括歌曲的风格,年份,演唱者等等。

基于协同过滤的推荐

随着 Web2.0 的发展,Web 站点更加提倡用户参与和用户贡献,因此基于协同过滤的推荐机制因运而生。它的原理很简单,就是根据用户对物品或者信息的偏好,发现物品或者内容本身的相关性,或者是发现用户的相关性,然后再基于这些关联性进行推荐。基于协同过滤的推荐可以分为三个子类:基于用户的推荐(User-based Recommendation),基于项目的推荐(Item-based Recommendation)和基于模型的推荐(Model-based Recommendation)。下面我们一个一个详细的介绍着三种协同过滤的推荐机制。

*基于用户的协同过滤推荐*

基于用户的协同过滤推荐的基本原理是,根据所有用户对物品或者信息的偏好,发现与当前用户口味和偏好相似的“邻居”用户群,在一般的应用中是采用计算“K- 邻居”的算法;然后,基于这 K 个邻居的历史偏好信息,为当前用户进行推荐。下图 4 给出了原理图。

图 4. 基于用户的协同过滤推荐机制的基本原理

基于用户的协同过滤推荐机制的基本原理

上图示意出基于用户的协同过滤推荐机制的基本原理,假设用户 A 喜欢物品 A,物品 C,用户 B 喜欢物品 B,用户 C 喜欢物品 A ,物品 C 和物品 D;从这些用户的历史喜好信息中,我们可以发现用户 A 和用户 C 的口味和偏好是比较类似的,同时用户 C 还喜欢物品 D,那么我们可以推断用户 A 可能也喜欢物品 D,因此可以将物品 D 推荐给用户 A。

基于用户的协同过滤推荐机制和基于人口统计学的推荐机制都是计算用户的相似度,并基于“邻居”用户群计算推荐,但它们所不同的是如何计算用户的相似度,基于人口统计学的机制只考虑用户本身的特征,而基于用户的协同过滤机制可是在用户的历史偏好的数据上计算用户的相似度,它的基本假设是,喜欢类似物品的用户可能有相同或者相似的口味和偏好。

*基于项目的协同过滤推荐*

基于项目的协同过滤推荐的基本原理也是类似的,只是说它使用所有用户对物品或者信息的偏好,发现物品和物品之间的相似度,然后根据用户的历史偏好信息,将类似的物品推荐给用户,图 5 很好的诠释了它的基本原理。

假设用户 A 喜欢物品 A 和物品 C,用户 B 喜欢物品 A,物品 B 和物品 C,用户 C 喜欢物品 A,从这些用户的历史喜好可以分析出物品 A 和物品 C 时比较类似的,喜欢物品 A 的人都喜欢物品 C,基于这个数据可以推断用户 C 很有可能也喜欢物品 C,所以系统会将物品 C 推荐给用户 C。

与上面讲的类似,基于项目的协同过滤推荐和基于内容的推荐其实都是基于物品相似度预测推荐,只是相似度计算的方法不一样,前者是从用户历史的偏好推断,而后者是基于物品本身的属性特征信息。

图 5. 基于项目的协同过滤推荐机制的基本原理

基于项目的协同过滤推荐机制的基本原理

同时协同过滤,在基于用户和基于项目两个策略中应该如何选择呢?其实基于项目的协同过滤推荐机制是 Amazon 在基于用户的机制上改良的一种策略,因为在大部分的 Web 站点中,物品的个数是远远小于用户的数量的,而且物品的个数和相似度相对比较稳定,同时基于项目的机制比基于用户的实时性更好一些。但也不是所有的场景都是这样的情况,可以设想一下在一些新闻推荐系统中,也许物品,也就是新闻的个数可能大于用户的个数,而且新闻的更新程度也有很快,所以它的形似度依然不稳定。所以,其实可以看出,推荐策略的选择其实和具体的应用场景有很大的关系。

*基于模型的协同过滤推荐*

基于模型的协同过滤推荐就是基于样本的用户喜好信息,训练一个推荐模型,然后根据实时的用户喜好的信息进行预测,计算推荐。

基于协同过滤的推荐机制是现今应用最为广泛的推荐机制,它有以下几个显著的优点: - 它不需要对物品或者用户进行严格的建模,而且不要求物品的描述是机器可理解的,所以这种方法也是领域无关的。 - 这种方法计算出来的推荐是开放的,可以共用他人的经验,很好的支持用户发现潜在的兴趣偏好

而它也存在以下几个问题: - 方法的核心是基于历史数据,所以对新物品和新用户都有“冷启动”的问题。 - 推荐的效果依赖于用户历史偏好数据的多少和准确性。 - 在大部分的实现中,用户历史偏好是用稀疏矩阵进行存储的,而稀疏矩阵上的计算有些明显的问题,包括可能少部分人的错误偏好会对推荐的准确度有很大的影响等等。 - 对于一些特殊品味的用户不能给予很好的推荐。 - 由于以历史数据为基础,抓取和建模用户的偏好后,很难修改或者根据用户的使用演变,从而导致这个方法不够灵活。

混合的推荐机制 在现行的 Web 站点上的推荐往往都不是单纯只采用了某一种推荐的机制和策略,他们往往是将多个方法混合在一起,从而达到更好的推荐效果。关于如何组合各个推荐机制,这里讲几种比较流行的组合方法。

  • 加权的混合(Weighted Hybridization): 用线性公式(linear formula)将几种不同的推荐按照一定权重组合起来,具体权重的值需要在测试数据集上反复实验,从而达到最好的推荐效果。
  • 切换的混合(Switching Hybridization):前面也讲到,其实对于不同的情况(数据量,系统运行状况,用户和物品的数目等),推荐策略可能有很大的不同,那么切换的混合方式,就是允许在不同的情况下,选择最为合适的推荐机制计算推荐。
  • 分区的混合(Mixed Hybridization):采用多种推荐机制,并将不同的推荐结果分不同的区显示给用户。其实,Amazon,当当网等很多电子商务网站都是采用这样的方式,用户可以得到很全面的推荐,也更容易找到他们想要的东西。
  • 分层的混合(Meta-Level Hybridization): 采用多种推荐机制,并将一个推荐机制的结果作为另一个的输入,从而综合各个推荐机制的优缺点,得到更加准确的推荐。