協同過濾餘弦相似度

❶ 基於用戶協同過濾(User-CF)的推薦演算法

1. 數學必備知識(向量)

2. 構建矩陣模型

3. User-CF的思想和計算

在一個個性化推薦系統中，當一個用戶A需要個性化推薦時，可以先找和他有相似興趣的其他用戶，然後把那些用戶喜歡的、而用戶A沒有聽說過的物品推薦給A。這種方法成為基於用戶的協同過濾演算法(User-CF)

根據問題域中構建出來的用戶-行為評分矩陣(圖1-1),我們可以構建出用戶的向量.首先,把每一個用戶用一個向量表示,每個向量里有6個數字,分別代表該用戶對6本書喜愛程度的評分.0代表用戶沒看過這本書.圖示:

接下來,計算倆個用戶的相似性,這里使用的指標叫作餘弦相似度,計算公式如下:

其中,分子部分a·b表示兩個向量的點積,計算方法就是兩個向量對應元素先相乘再求和,比如:

用戶a=[4 3 0 0 5 0]和用戶b=[5 0 4 0 4 0]

a·b=4x5+3x0+0x4+0x0+5x4+0x0=40

分母部分的 代表向量a的模長, 就是a,b兩個向量模長的乘積.向量模長的計算方法就是把向量

中的每個元素平方後再求和最後再開根號.

於是,第一個用戶和第二個用戶的相似度就可以進行如下計算:

餘弦相似度的值在[0,1]閉區間內,值越大說明越相似,值越小說明越不相似.根據上面的計算公式,分別計算小白和其他5個同事的相似度,然後根據從大到小的順序排列.可以看到小白和前倆個同事相似度高而和最後一個同事完全不相似.

比如,和小白最相似的兩個同事的閱讀列表編號有1,3,4,5共4本書.其中1,5這兩本書小白已經看過,3,4這兩本書哪本可能更適合小白的口味呢?

可以計算這兩個同事對這兩本書的加權評分並作為小白的可能評分,權重就是他們之間的相似度,具體計算如

下圖.通過計算可以看出編號為3的書可能更適合小白的口味.

計算步驟:

1. 先確定第一個同事擁有的閱讀列表的圖書編號為1,3,5

2. 再確定第二個同事擁有的閱讀列表的圖書編號為1,3,4,5

3. 小白自己已經擁有的閱讀的圖書列表是1,2,5[這也是打叉的意義,自己已經有的,不需要再推薦給自己了]

4. 最後剩餘的只有編號為3和編號為4的兩本書了

5. 計算公式說明,0.75和0.63代表權重,也就是相似值.4,3,5代表的是該用戶對這本書的評分.

1. 性能:適用於用戶較少的場合，如果用戶過多，計算用戶相似度矩陣的代價較大

2. 領域:實效性要求高，用戶個性化興趣要求不高

3. 實時性:用戶有新行為，不一定需要推薦結果立即變化

4. 冷啟動:在新用戶對少的物品產生行為後，不能立即對他進行個性化推薦，因為用戶相似度是離線計算的 

新物品上線後一段時間，一旦有用戶對物品產生行為，就可以將新物品推薦給其他用戶

❷ 協同過濾

協同過濾（Collaborative Filtering，CF）——經典/老牌
只用戶行為數據得到。對於 個用戶， 個物品，則有共現矩陣 :
對於有正負反饋的情況，如「贊」是1和「踩」是-1，無操作是0：

對於只有顯示反饋，如點擊是1，無操作是0：

演算法步驟：
1）得到共現矩陣 ；
2）計算 任意兩行 用戶相似度，得到用戶相似度矩陣 ；
3）針對某個用戶 選出與其最相似的 個用戶， 是超參數；——召回階段
4）基於這 個用戶，計算 對每個物品的得分；
5）按照用戶 的物品得分進行排序，過濾已推薦的物品，推薦剩下得分最高的 個。——排序階段

第2步中，怎麼計算用戶相似度？——使用共現矩陣的行
以餘弦相似度為標准，計算 和 之間的相似度：

第4步中，怎麼每個用戶對每個物品的得分？
假如和用戶 最相似的2個為 和 :


對物品 的評分為1，用戶 對物品 的評分也為1，那麼用戶 對 的評分為：

也就是說：利用用戶相似度對用戶評分進行加權平均：

其中， 為用戶 和用戶 之間的相似度， 為用戶 和物品 之間的相似度。

UserCF的缺點
1、現實中用戶數遠遠大於物品數，所以維護用戶相似度矩陣代價很大；
2、共現矩陣是很稀疏的，那麼計算計算用戶相似度的准確度很低。

演算法步驟：
1）得到共現矩陣 ；
2）計算 任意兩列 物品相似度，得到物品相似度矩陣 ；
3）對於有正負反饋的，獲得用戶 正反饋的物品；
4）找出用戶 正反饋的物品最相似的 個物品，組成相似物品集合；——召回階段
5）利用相似度分值對相似物品集合進行排序，生產推薦列表。——排序階段
最簡單情況下一個物品（用戶未接觸的）只出現在另一個物品（用戶已反饋的）的最相似集合中，那麼每個用戶對每個物品的得分就是相似度。如果一個物品和多個物品最相似怎麼辦？
如用戶正反饋的是 和 ，對於物品 其最相似的是 ，相似度為0.7，對於物品 其最相似的也是 ，相似度為0.6，那麼 相似度為：

也就是說：如果一個物品出現在多個物品的 個最相似的物品集合中，那麼該物品的相似度為多個相似度乘以對應評分的累加。

其中， 是物品p與物品h的相似度， 是用戶u對物品p的評分。

第2步中，怎麼計算物品相似度？——使用共現矩陣的列
以餘弦相似度為標准，計算 和 之間的相似度：

餘弦相似度
皮爾遜相關系數
基於皮爾遜相關系數的改進

UserCF適用於用戶興趣比較分散變換較快的場景，如新聞推薦。
IteamCF適用於用戶情趣不叫穩定的場景，如電商推薦。

優點：直觀，可解釋性強。
缺點：

❸ 推薦演算法的基於協同過濾的推薦

基於協同過濾的推薦演算法理論上可以推薦世界上的任何一種東西。圖片、音樂、樣樣可以。 協同過濾演算法主要是通過對未評分項進行評分 預測來實現的。不同的協同過濾之間也有很大的不同。
基於用戶的協同過濾演算法: 基於一個這樣的假設「跟你喜好相似的人喜歡的東西你也很有可能喜歡。」所以基於用戶的協同過濾主要的任務就是找出用戶的最近鄰居，從而根據最近鄰 居的喜好做出未知項的評分預測。這種演算法主要分為3個步驟：
一，用戶評分。可以分為顯性評分和隱形評分兩種。顯性評分就是直接給項目評分（例如給網路里的用戶評分），隱形評分就是通過評價或是購買的行為給項目評分 （例如在有啊購買了什麼東西）。
二，尋找最近鄰居。這一步就是尋找與你距離最近的用戶，測算距離一般採用以下三種演算法：1.皮爾森相關系數。2.餘弦相似性。3調整餘弦相似性。調整餘弦 相似性似乎效果會好一些。
三，推薦。產生了最近鄰居集合後，就根據這個集合對未知項進行評分預測。把評分最高的N個項推薦給用戶。 這種演算法存在性能上的瓶頸，當用戶數越來越多的時候，尋找最近鄰居的復雜度也會大幅度的增長。
因而這種演算法無法滿足及時推薦的要求。基於項的協同過濾解決了這個問題。 基於項的協同過濾演算法 根基於用戶的演算法相似，只不過第二步改為計算項之間的相似度。由於項之間的相似度比較穩定可以在線下進行，所以解決了基於用戶的協同過濾演算法存在的性能瓶頸。

❹ python機器學習中可以實現協同過濾嗎

1.背景
協同過濾（collaborative filtering）是推薦系統常用的一種方法。cf的主要思想就是找出物品相似度高的歸為一類進行推薦。cf又分為icf和ucf。icf指的是item collaborative filtering，是將商品進行分析推薦。同理ucf的u指的是user，他是找出知趣相似的人，進行推薦。通常來講icf的准確率可能會高一些，通過這次參加天貓大數據比賽，我覺得只有在數據量非常龐大的時候才適合用cf，如果數據量很小，cf的准確率會非常可憐。博主在比賽s1階段，大概只有幾萬條數據的時候，嘗試了icf，准確率不到百分之一。。。。。
2.常用方法
cf的常用方法有三種，分別是歐式距離法、皮爾遜相關系數法、餘弦相似度法。
測試矩陣,行表示三名用戶，列表示三個品牌，對品牌的喜愛度按照1~5增加。
（1）歐氏距離法
就是計算每兩個點的距離，比如Nike和Sony的相似度。數值越小，表示相似的越高。
[python] view plain print?在CODE上查看代碼片派生到我的代碼片
def OsDistance(vector1, vector2):
sqDiffVector = vector1-vector2
sqDiffVector=sqDiffVector**2
sqDistances = sqDiffVector.sum()
distance = sqDistances**0.5
return distance
（2）皮爾遜相關系數
兩個變數之間的相關系數越高，從一個變數去預測另一個變數的精確度就越高，這是因為相關系數越高，就意味著這兩個變數的共變部分越多，所以從其中一個變數的變化就可越多地獲知另一個變數的變化。如果兩個變數之間的相關系數為1或-1，那麼你完全可由變數X去獲知變數Y的值。
· 當相關系數為0時，X和Y兩變數無關系。
· 當X的值增大，Y也增大，正相關關系，相關系數在0.00與1.00之間
· 當X的值減小，Y也減小，正相關關系，相關系數在0.00與1.00之間
· 當X的值增大，Y減小，負相關關系，相關系數在-1.00與0.00之間
當X的值減小，Y增大，負相關關系，相關系數在-1.00與0.00之間
相關系數的絕對值越大，相關性越強，相關系數越接近於1和-1，相關度越強，相關系數越接近於0，相關度越弱。
clip_image003
在Python中用函數corrcoef實現，具體方法見http//infosec.pku.e.cn/~lz/doc/Numpy_Example_List.htm
（3）餘弦相似度
通過測量兩個向量內積空間的夾角的餘弦值來度量它們之間的相似性。0度角的餘弦值是1，而其他任何角度的
餘弦值都不大於1;並且其最小值是-1。從而兩個向量之間的角度的餘弦值確定兩個向量是否大致指向相同的方向。兩
個向量有相同的指向時，餘弦相似度的值為1；兩個向量夾角為90°時，餘弦相似度的值為0；兩個向量指向完全相
反的方向時，餘弦相似度的值為-1。在比較過程中，向量的規模大小不予考慮，僅僅考慮到向量的指向方向。餘弦相
似度通常用於兩個向量的夾角小於90°之內，因此餘弦相似度的值為0到1之間。
\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}=\left\|\mathbf{a}\right\|\left\|\mathbf{b}\right\|\cos\theta
[python] view plain print?在CODE上查看代碼片派生到我的代碼片
def cosSim(inA,inB):
num = float(inA.T*inB)
denom = la.norm(inA)*la.norm(inB)
return 0.5+0.5*(num/denom)

❺ 協同過濾與分類

[TOC]

本文是《寫給程序員的數據挖掘實踐指南》的一周性筆記總結。主要涵蓋了以下內容：

所謂推薦系統就是系統根據你的行為操作為你推薦你可能想要的其他物品。這在電商平台、音樂平台、資訊推送平台等多有見到。而協同過濾簡單來說是利用某興趣相投、擁有共同經驗之群體的喜好來推薦用戶感興趣的信息，個人通過合作的機制給予信息相當程度的回應（如評分）並記錄下來以達到過濾的目的進而幫助別人篩選信息。其推薦基礎是用戶評分。這里可以分為兩種用戶評分，即顯式評分與隱式評分。顯式評分即日常見到的為物品打分，如對喜好音樂評級等；隱式評分是通過對用戶行為的持續性觀察，進而發現用戶偏好的一種方法，如新聞網頁中的推送你經常閱讀過的相關內容等。兩種評分方法都有自己的問題。

總體來說，協同過濾其運作機制也可以分為兩種：

基於用戶的推薦是指通過用戶的行為偏好，劃分相似用戶。在相似用戶群體之間互相推送一方喜歡而另一方未有過的物品。核心在於相似用戶群體的劃分。這種推薦方法有自己的局限：

基於用戶的過濾其核心是用戶群體的劃分，其實也就是分類。

這里的距離函數包括三種：曼哈頓距離和歐氏距離。這里以二維舉例，更多維情況下類推即可。

兩距離函數可以一般化為：

其中，當r=1時，函數為曼哈頓距離；當r=2時，函數為歐氏距離。

演算法實現：

在算出距離函數後，通過比對目標用戶與所有用戶群體的偏好，找到最近鄰的用戶並給予推薦。

基於用戶距離的推薦有一個明顯的問題，就是用戶評分體系的差異。比如評分極端的用戶給喜歡的評最高分，給不喜歡的評最低分；而有些用戶傾向於不出現極端評分。即所謂「分數貶值」( Grade Inflation )問題。這種問題的存在可能讓基於距離的評分產生偏差。皮爾遜相關系數可以緩解這種問題。

原皮爾遜相關系數公式在實際運用的時候會出現多次迭代的問題，影響計算效率，這里給出了近似公式：

皮爾遜相關系數的用戶判斷依據不是單純的用戶距離，而是用戶的評分一致性：取值在[-1, 1]之間，越接近1則表示兩用戶的評分一致性越好；反之則反。
python實現：

基於用戶推薦的過程中，另一個存在的問題就是由於大部分人的喜愛物品集合的交集過少，存在大量計算值為0的feature的情況。即所謂 稀疏性 問題。一個較容易理解的例子是對書本內容的挖掘。餘弦相似度會忽略這種0-0匹配。
餘弦相似度：

python實現：

如此多的評估系數，如何進行抉擇呢？根據數據特徵：

另外值得考慮的一點是，目前為止的推薦都是基於單用戶的。即對一個用戶的推薦系統只是基於另一個用戶。這會存在一些問題。比如雖然雖然兩者相似度很高，但是另外一個人有一些怪癖，怪癖的推薦就是不合理的；又比如，在相似度極高的情況下，你不能確定統一賬戶下的操作是同一個人做出的或者說操作行為是為了用戶自身。比如用戶考慮購買某件商品作為禮物送給別人，這就是基於別人喜好的購買行為，這種推薦也是不合適的。
對這種問題的解決可以使用群體劃分的方法。原理與單用戶類似，但是用戶的匹配是k個。在這k位最優匹配的用戶之間，以相似度的大小為依據設定權重作為物品推薦的條件。此即協同過濾的k近鄰。

正如前面提到的基於用戶的推薦有復雜度、稀疏性的問題，而基於物品的過濾則可以緩解這些問題。所謂基於物品的過濾是指，我們事先找到最相似的物品，並結合用戶對物品的評級結果來生成推薦。前提是要對物品進行相似度匹配，找到一種演算法。

這里的調整是指為了減輕用戶評分體系的不一致情況（抵消分數貶值），從每個評級結果中減去該用戶所有物品的平均分的評級結果。

其中，U表示所有同時對i， j進行評級過的用戶的集合。 表示用戶u給物品i的評分減去用戶u對所有物品的評分的平均值。

在得到所有物品的餘弦相似度後，我們就可以通過該指數預測用戶對某件物品的偏好程度。方法就是所有相似物品的相似度乘以得分的總和。

其中p（u, i）指的是用戶u對物品i評分的預測值。N是用戶u的所有評級物品中每個和i得分相似的物品。這里的相似指的是矩陣中存在N和i的一個相似度得分。 是i和N之間的相似度得分。 是u給N的評級結果。公式較好運行的條件是 取值在（-1， 1）之間，這里就要使用歸一化概念。

另一種常用的基於物品過濾的演算法就是 slope one 演算法。它的大概原理是預測用戶u對產品j的評分時，預先計算包含所有物品的兩物品偏差表；根據u的已評價的所有物品評分與該物品和產品j的偏差（ ）之和並乘以所有對此兩類物品有過評分的用戶個數，一一加總，除以所有同時對產品i與u評價過的所有物品有過評分的用戶的人數，得到得分。公式如下：

其中， ； 是利用加權s1演算法給出的用戶u對物品j的預測值。 指的是對所有除j之外u打過分的物品。

python實現：

在前面兩節中，基於物品和基於用戶的過濾其前提都是用戶需要對已有的item進行評分。而實際上，如果一個新的item出現，由於缺乏別人的偏好，他永遠不會被推薦。這就是推薦系統中所謂的—— 冷啟動 問題。基於用戶評價的系統就會出現這種問題。
冷啟動 問題的解決方案之一就是 基於物品屬性的過濾 來進行推薦：對物品自身的屬性進行歸納總結，並以此進行物品推薦。基於物品屬性的過濾存在一個問題同樣是量綱的不統一。如果量綱不統一極端值將會對推薦系統造成大麻煩。解決方法也很簡單：歸一化。此章使用的是z-評分。
使用z得分也存在問題，就是極易受到離群值的影響。這里可以使用 改進的標准分數 來緩解這個問題：

什麼時候可以進行歸一化呢？

這里用曼哈頓距離舉例基於物品屬性的過濾：

在上一章最後一節對於用戶是否喜歡某件item的判別中，實際上包含了分類器的思想：分類器就是利用對象屬性判定對象屬於哪個組或類別的程序。這里簡單用另一個小項目來說明。

簡單來說就是根據運動員的某些指標來判斷這位運動員屬於什麼類別的運動員。

准確率有0.8。

❻ 基於用戶、基於項目和SVD的協同過濾Python代碼

目前主要有三種度量用戶間相似性的方法，分別是:餘弦相似性、相關相專似性以及修正的屬餘弦相似性。①餘弦相似性(Cosine)：用戶一項目評分矩陣可以看作是n維空間上的向量，對於沒有評分的項目將評分值設為0，餘弦相似性度量方法是通過計算向量間的餘弦夾角來度量用戶間相似性的。設向量i和j分別表示用戶i和用戶j在n維空間上的評分，則用基於協同過濾的電子商務個性化推薦演算法研究戶i和用戶j之間的相似性為:②修正的餘弦相似性 (AdjustedCosine)：餘弦相似度未考慮到用戶評分尺度問題，如在評分區間[1一5]的情況下，對用戶甲來說評分3以上就是自己喜歡的，而對於用戶乙，評分4以上才是自己喜歡的。通過減去用戶對項的平均評分，修正的餘弦相似性度量方法改善了以上問題。用幾表示用戶i和用戶j共同評分過的項集合，Ii和壽分別表示用戶i和用戶j評分過的項集合，則用戶i和用戶j之間的相似性為：③相關相似性(Correlation)此方法是採用皮爾森(Pearson)相關系數來進行度量。設Iij表示用戶i和用戶j共同評分過的項目集合，則用戶i和用戶j之間相似性為:

❼ 推薦演算法簡介

寫在最前面：本文內容主要來自於書籍《推薦系統實踐》和《推薦系統與深度學習》。

推薦系統是目前互聯網世界最常見的智能產品形式。從電子商務、音樂視頻網站，到作為互聯網經濟支柱的在線廣告和新穎的在線應用推薦，到處都有推薦系統的身影。推薦演算法是推薦系統的核心，其本質是通過一定的方式將用戶和物品聯系起來，而不同的推薦系統利用了不同的方式。

推薦系統的主要功能是以個性化的方式幫助用戶從極大的搜索空間中快速找到感興趣的對象。因此，目前所用的推薦系統多為個性化推薦系統。個性化推薦的成功應用需要兩個條件：

在推薦系統的眾多演算法中，基於協同的推薦和基於內容的推薦在實踐中得到了最廣泛的應用。本文也將從這兩種演算法開始，結合時間、地點上下文環境以及社交環境，對常見的推薦演算法做一個簡單的介紹。

基於內容的演算法的本質是對物品內容進行分析，從中提取特徵，然後基於用戶對何種特徵感興趣來推薦含有用戶感興趣特徵的物品。因此，基於內容的推薦演算法有兩個最基本的要求：

下面我們以一個簡單的電影推薦來介紹基於內容的推薦演算法。

現在有兩個用戶A、B和他們看過的電影以及打分情況如下：

其中問好（?）表示用戶未看過。用戶A對《銀河護衛隊 》《變形金剛》《星際迷航》三部科幻電影都有評分，平均分為 4 .7 分 （ (5+4+5 ) / 3=4.7 ）；對《三生三世》《美人魚》《北京遇上西雅圖》三部愛情電影評分平均分為 2.3 分 （ ( 3十2+2 ) /3=2.3 ）。現在需要給A推薦電影，很明顯A更傾向於科幻電影，因此推薦系統會給A推薦獨立日。而對於用戶B，通過簡單的計算我們可以知道更喜歡愛情電影，因此給其推薦《三生三世》。當然，在實際推薦系統中，預測打分比這更加復雜些，但是其原理是一樣的。

現在，我們可以將基於內容的推薦歸納為以下四個步驟：

通過上面四步就能快速構建一個簡單的推薦系統。基於內容的推薦系統通常簡單有效，可解釋性好，沒有物品冷啟動問題。但他也有兩個明顯的缺點：

最後，順便提一下特徵提取方法：對於某些特徵較為明確的物品，一般可以直接對其打標簽，如電影類別。而對於文本類別的特徵，則主要是其主題情感等，則些可以通過tf-idf或LDA等方法得到。

基於協同的演算法在很多地方也叫基於鄰域的演算法，主要可分為兩種：基於用戶的協同演算法和基於物品的協同演算法。

啤酒和尿布的故事在數據挖掘領域十分有名，該故事講述了美國沃爾瑪超市統計發現啤酒和尿布一起被購買的次數非常多，因此將啤酒和尿布擺在了一起，最後啤酒和尿布的銷量雙雙增加了。這便是一個典型的物品協同過濾的例子。

基於物品的協同過濾指基於物品的行為相似度（如啤酒尿布被同時購買）來進行物品推薦。該演算法認為，物品A和物品B具有很大相似度是因為喜歡物品A的用戶大都也喜歡物品B。

基於物品的協同過濾演算法主要分為兩步：

基於物品的協同過濾演算法中計算物品相似度的方法有以下幾種：
（1）基於共同喜歡物品的用戶列表計算。

此外，John S. Breese再其論文中還提及了IUF（Inverse User Frequence，逆用戶活躍度）的參數，其認為活躍用戶對物品相似度的貢獻應該小於不活躍的用戶，應該增加IUF參數來修正物品相似度的公式：

上面的公式只是對活躍用戶做了一種軟性的懲罰， 但對於很多過於活躍的用戶， 比如某位買了當當網80%圖書的用戶， 為了避免相似度矩陣過於稠密， 我們在實際計算中一般直接忽略他的興趣列表， 而不將其納入到相似度計算的數據集中。

（2）基於餘弦相似度計算。

（3）熱門物品的懲罰。
從上面（1）的相似度計算公式中，我們可以發現當物品 i 被更多人購買時，分子中的 N(i) ∩ N(j) 和分母中的 N(i) 都會增長。對於熱門物品，分子 N(i) ∩ N(j) 的增長速度往往高於 N(i)，這就會使得物品 i 和很多其他的物品相似度都偏高，這就是 ItemCF 中的物品熱門問題。推薦結果過於熱門，會使得個性化感知下降。以歌曲相似度為例，大部分用戶都會收藏《小蘋果》這些熱門歌曲，從而導致《小蘋果》出現在很多的相似歌曲中。為了解決這個問題，我們對於物品 i 進行懲罰，例如下式， 當α∈(0, 0.5) 時，N(i) 越小，懲罰得越厲害，從而使熱門物品相關性分數下降（ 博主註：這部分未充分理解 ）：

此外，Kary pis在研究中發現如果將ItemCF的相似度矩陣按最大值歸一化， 可以提高推薦的准確率。 其研究表明， 如果已經得到了物品相似度矩陣w， 那麼可以用如下公式得到歸一化之後的相似度矩陣w'：

歸一化的好處不僅僅在於增加推薦的准確度，它還可以提高推薦的覆蓋率和多樣性。一般來說，物品總是屬於很多不同的類，每一類中的物品聯系比較緊密。假設物品分為兩類——A和B， A類物品之間的相似度為0.5， B類物品之間的相似度為0.6， 而A類物品和B類物品之間的相似度是0.2。 在這種情況下， 如果一個用戶喜歡了5個A類物品和5個B類物品， 用ItemCF給他進行推薦， 推薦的就都是B類物品， 因為B類物品之間的相似度大。 但如果歸一化之後， A類物品之間的相似度變成了1， B類物品之間的相似度也是1， 那麼這種情況下， 用戶如果喜歡5個A類物品和5個B類物品， 那麼他的推薦列表中A類物品和B類物品的數目也應該是大致相等的。 從這個例子可以看出， 相似度的歸一化可以提高推薦的多樣性。

那麼，對於兩個不同的類，什麼樣的類其類內物品之間的相似度高，什麼樣的類其類內物品相似度低呢？一般來說，熱門的類其類內物品相似度一般比較大。如果不進行歸一化，就會推薦比較熱門的類裡面的物品，而這些物品也是比較熱門的。因此，推薦的覆蓋率就比較低。相反，如果進行相似度的歸一化，則可以提高推薦系統的覆蓋率。

最後，利用物品相似度矩陣和用戶打過分的物品記錄就可以對一個用戶進行推薦評分：

基於用戶的協同演算法與基於物品的協同演算法原理類似，只不過基於物品的協同是用戶U購買了A物品，會計算經常有哪些物品與A一起購買（也即相似度），然後推薦給用戶U這些與A相似的物品。而基於用戶的協同則是先計算用戶的相似性（通過計算這些用戶購買過的相同的物品），然後將這些相似用戶購買過的物品推薦給用戶U。

基於用戶的協同過濾演算法主要包括兩個步驟：

步驟（1）的關鍵是計算用戶的興趣相似度，主要是利用用戶的行為相似度計算用戶相似度。給定用戶 u 和 v，N(u) 表示用戶u曾經有過正反饋（譬如購買）的物品集合，N(v) 表示用戶 v 曾經有過正反饋的物品集合。那麼我們可以通過如下的 Jaccard 公式簡單的計算 u 和 v 的相似度：

或通過餘弦相似度：

得到用戶之間的相似度之後，UserCF演算法會給用戶推薦和他興趣最相似的K個用戶喜歡的物品。如下的公式度量了UserCF演算法中用戶 u 對物品 i 的感興趣程度：

首先回顧一下UserCF演算法和ItemCF演算法的推薦原理：UserCF給用戶推薦那些和他有共同興趣愛好的用戶喜歡的物品， 而ItemCF給用戶推薦那些和他之前喜歡的物品具有類似行為的物品。

（1）從推薦場景考慮
首先從場景來看，如果用戶數量遠遠超過物品數量，如購物網站淘寶，那麼可以考慮ItemCF，因為維護一個非常大的用戶關系網是不容易的。其次，物品數據一般較為穩定，因此物品相似度矩陣不必頻繁更新，維護代價較小。

UserCF的推薦結果著重於反應和用戶興趣相似的小群體的熱點，而ItemCF的推薦結果著重於維系用戶的歷史興趣。換句話說，UserCF的推薦更社會化，反應了用戶所在小型興趣群體中物品的熱門程度，而ItemCF的推薦更加個性化，反應了用戶自己的個性傳承。因此UserCF更適合新聞、微博或微內容的推薦，而且新聞內容更新頻率非常高，想要維護這樣一個非常大而且更新頻繁的表無疑是非常難的。

在新聞類網站中，用戶的興趣愛好往往比較粗粒度，很少會有用戶說只看某個話題的新聞，而且往往某個話題也不是每天都會有新聞。 個性化新聞推薦更強調新聞熱點，熱門程度和時效性是個性化新聞推薦的重點，個性化是補充，所以 UserCF 給用戶推薦和他有相同興趣愛好的人關注的新聞，這樣在保證了熱點和時效性的同時，兼顧了個性化。

（2）從系統多樣性（也稱覆蓋率，指一個推薦系統能否給用戶提供多種選擇）方面來看，ItemCF的多樣性要遠遠好於UserCF，因為UserCF更傾向於推薦熱門物品。而ItemCF具有較好的新穎性，能夠發現長尾物品。所以大多數情況下，ItemCF在精度上較小於UserCF，但其在覆蓋率和新穎性上面卻比UserCF要好很多。

在介紹本節基於矩陣分解的隱語義模型之前，讓我們先來回顧一下傳統的矩陣分解方法SVD在推薦系統的應用吧。

基於SVD矩陣分解在推薦中的應用可分為如下幾步：

SVD在計算前會先把評分矩陣 A 缺失值補全，補全之後稀疏矩陣 A 表示成稠密矩陣，然後將分解成 A' = U∑V T 。但是這種方法有兩個缺點：（1）補成稠密矩陣後需要耗費巨大的儲存空間，對這樣巨大的稠密矩陣進行儲存是不現實的；（2）SVD的計算復雜度很高，對這樣大的稠密矩陣中進行計算式不現實的。因此，隱語義模型就被發明了出來。

更詳細的SVD在推薦系統的應用可參考 奇異值分解SVD簡介及其在推薦系統中的簡單應用 。

隱語義模型（Latent Factor Model）最早在文本挖掘領域被提出，用於找到文本的隱含語義。相關的演算法有LSI，pLSA，LDA和Topic Model。本節將對隱語義模型在Top-N推薦中的應用進行詳細介紹，並通過實際的數據評測該模型。

隱語義模型的核心思想是通過隱含特徵聯系用戶興趣和物品。讓我們通過一個例子來理解一下這個模型。

現有兩個用戶，用戶A的興趣涉及偵探小說、科普圖書以及一些計算機技術書，而用戶B的興趣比較集中在數學和機器學習方面。那麼如何給A和B推薦圖書呢？

我們可以對書和物品的興趣進行分類。對於某個用戶，首先得到他的興趣分類，然後從分類中挑選他可能喜歡的物品。簡言之，這個基於興趣分類的方法大概需要解決3個問題：

對於第一個問題的簡單解決方案是找相關專業人員給物品分類。以圖書為例，每本書出版時，編輯都會給出一個分類。但是，即使有很系統的分類體系，編輯給出的分類仍然具有以下缺點：（1）編輯的意見不能代表各種用戶的意見；（2）編輯很難控制分類的細粒度；（3）編輯很難給一個物品多個分類；（4）編輯很難給一個物品多個分類；（5）編輯很難給出多個維度的分類；（6）編輯很難決定一個物品在某一個類別中的權重。

為了解決上述問題，研究員提出可以從數據出發，自動找到那些分類，然後進行個性化推薦。隱語義模型由於採用基於用戶行為統計的自動聚類，較好地解決了上面提出的5個問題。

LFM將矩陣分解成2個而不是3個：

推薦系統中用戶和物品的交互數據分為顯性反饋和隱性反饋數據。隱式模型中多了一個置信參數，具體涉及到ALS（交替最小二乘法，Alternating Least Squares）中對於隱式反饋模型的處理方式——有的文章稱為「加權的正則化矩陣分解」：

一個小細節：在隱性反饋數據集中，只有正樣本（正反饋）沒有負反饋（負樣本），因此如何給用戶生成負樣本來進行訓練是一個重要的問題。Rong Pan在其文章中對此進行了探討，對比了如下幾種方法：

用戶行為很容易用二分圖表示，因此很多圖演算法都可以應用到推薦系統中。基於圖的模型（graph-based model）是推薦系統中的重要內容。很多研究人員把基於領域的模型也稱為基於圖的模型，因為可以把基於領域的模型看作基於圖的模型的簡單形式。

在研究基於圖的模型之前，需要將用戶行為數據表示成圖的形式。本節的數據是由一系列用戶物品二元組 (u, i) 組成的，其中 u 表示用戶對物品 i 產生過行為。

令 G(V, E) 表示用戶物品二分圖，其中 V=V U UV I 由用戶頂點 V U 和物品節點 V I 組成。對於數據集中每一個二元組 (u, i) ，圖中都有一套對應的邊 e(v u , v i )，其中 v u ∈V U 是用戶對應的頂點，v i ∈V I 是物品i對應的頂點。如下圖是一個簡單的物品二分圖，其中圓形節點代表用戶，方形節點代表物品，用戶物品的直接連線代表用戶對物品產生過行為。比如下圖中的用戶A對物品a、b、d產生過行為。

度量圖中兩個頂點之間相關性的方法很多，但一般來說圖中頂點的相關性主要取決於下面3個因素：

而相關性高的一對頂點一般具有如下特徵：

舉個例子，如下圖，用戶A和物品c、e沒有邊直連，但A可通過一條長度為3的路徑到達c，而Ae之間有兩條長度為3的路徑。那麼A和e的相關性要高於頂點A和c，因而物品e在用戶A的推薦列表中應該排在物品c之前，因為Ae之間有兩條路徑。其中，（A,b,C,e）路徑經過的頂點的出度為（3，2，2，2），而 (A,d,D,e) 路徑經過了一個出度比較大的頂點D，所以 (A,d,D,e) 對頂點A與e之間相關性的貢獻要小於（A,b,C,e）。

基於上面3個主要因素，研究人員設計了很多計算圖中頂點相關性的方法，本節將介紹一種基於隨機遊走的PersonalRank演算法。

假設要給用戶u進行個性化推薦，可以從用戶u對應的節點 v u 開始在用戶物品二分圖上進行隨機遊走。遊走到任一節點時，首先按照概率α決定是繼續遊走還是停止這次遊走並從 v u 節點重新開始遊走。若決定繼續遊走，則從當前節點指向的節點中按照均勻分布隨機選擇一個節點作為遊走下次經過的節點。這樣，經過很多次隨機遊走後，每個物品被訪問到的概率會收斂到一個數。最終的推薦列表中物品的權重就是物品節點的訪問概率。

上述演算法可以表示成下面的公式：

雖然通過隨機遊走可以很好地在理論上解釋PersonalRank演算法，但是該演算法在時間復雜度上有明顯的缺點。因為在為每個用戶進行推薦時，都需要在整個用戶物品二分圖上進行迭代，知道所有頂點的PR值都收斂。這一過程的時間復雜度非常高，不僅無法在線進行實時推薦，離線計算也是非常耗時的。

有兩種方法可以解決上面PersonalRank時間復雜度高的問題：
（1）減少迭代次數，在收斂之前停止迭代。但是這樣會影響最終的精度。

（2）從矩陣論出發，重新涉及演算法。另M為用戶物品二分圖的轉移概率矩陣，即：

網路社交是當今社會非常重要甚至可以說是必不可少的社交方式，用戶在互聯網上的時間有相當大的一部分都用在了社交網路上。

當前國外最著名的社交網站是Facebook和Twitter，國內的代表則是微信/QQ和微博。這些社交網站可以分為兩類：

需要指出的是，任何一個社交網站都不是單純的社交圖譜或興趣圖譜。如QQ上有些興趣愛好群可以認識不同的陌生人，而微博中的好友也可以是現實中認識的。

社交網路定義了用戶之間的聯系，因此可以用圖定義社交網路。我們用圖 G(V,E,w) 定義一個社交網路，其中V是頂點集合，每個頂點代表一個用戶，E是邊集合，如果用戶va和vb有社交網路關系，那麼就有一條邊 e(v a , v b ) 連接這兩個用戶，而 w(v a , v b )定義了邊的權重。一般來說，有三種不同的社交網路數據：

和一般購物網站中的用戶活躍度分布和物品流行度分布類似，社交網路中用戶的入度（in degree，表示有多少人關注）和出度（out degree，表示關注多少人）的分布也是滿足長尾分布的。即大部分人關注的人都很少，被關注很多的人也很少。

給定一個社交網路和一份用戶行為數據集。其中社交網路定義了用戶之間的好友關系，而用戶行為數據集定義了不同用戶的歷史行為和興趣數據。那麼最簡單的演算法就是給用戶推薦好友喜歡的物品集合。即用戶u對物品i的興趣 p ui 可以通過如下公式計算。

用戶u和用戶v的熟悉程度描述了用戶u和用戶在現實社會中的熟悉程度。一般來說，用戶更加相信自己熟悉的好友的推薦，因此我們需要考慮用戶之間的熟悉度。下面介紹3中衡量用戶熟悉程度的方法。

（1）對於用戶u和用戶v，可以使用共同好友比例來計算他們的相似度：

上式中 out(u) 可以理解為用戶u關注的用戶合集，因此 out(u) ∩ out(v) 定義了用戶u、v共同關注的用戶集合。

（2）使用被關注的用戶數量來計算用戶之間的相似度，只要將公式中的 out(u) 修改為 in(u)：

in(u) 是指關注用戶u的集合。在無向社交網路中，in(u)和out(u)是相同的，而在微博這種有向社交網路中，這兩個集合的含義就不痛了。一般來說，本方法適合用來計算微博大V之間的相似度，因為大v往往被關注的人數比較多；而方法（1）適用於計算普通用戶之間的相似度，因為普通用戶往往關注行為比較豐富。

（3）除此之外，還可以定義第三種有向的相似度：這個相似度的含義是用戶u關注的用戶中，有多大比例也關注了用戶v：

這個相似度有一個缺點，就是在該相似度下所有人都和大v有很大的相似度，這是因為公式中的分母並沒有考慮 in(v) 的大小，所以可以把 in(v) 加入到上面公式的分母，來降低大v與其他用戶的相似度：

上面介紹了3種計算用戶之間相似度（或稱熟悉度）的計算方法。除了熟悉程度，還需要考慮用戶之間的興趣相似度。我們和父母很熟悉，但很多時候我們和父母的興趣確不相似，因此也不會喜歡他們喜歡的物品。因此，在度量用戶相似度時，還需要考慮興趣相似度，而興趣相似度可以通過和UserCF類似的方法度量，即如果兩個用戶喜歡的物品集合重合度很高，兩個用戶的興趣相似度很高。

最後，我們可以通過加權的形式將兩種權重合並起來，便得到了各個好有用戶的權重了。

有了權重，我們便可以針對用戶u挑選k個最相似的用戶，把他們購買過的物品中，u未購買過的物品推薦給用戶u即可。打分公式如下：

其中 w' 是合並後的權重，score是用戶v對物品的打分。

node2vec的整體思路分為兩個步驟：第一個步驟是隨機遊走（random walk），即通過一定規則隨機抽取一些點的序列；第二個步驟是將點的序列輸入至word2vec模型從而得到每個點的embedding向量。

隨機遊走在前面基於圖的模型中已經介紹過，其主要分為兩步：（1）選擇起始節點；（2）選擇下一節點。起始節點選擇有兩種方法：按一定規則抽取一定量的節點或者以圖中所有節點作為起始節點。一般來說會選擇後一種方法以保證所有節點都會被選取到。

在選擇下一節點方法上，最簡單的是按邊的權重來選擇，但在實際應用中需要通過廣度優先還是深度優先的方法來控制遊走范圍。一般來說，深度優先發現能力更強，廣度優先更能使社區內（較相似）的節點出現在一個路徑里。

斯坦福大學Jure Leskovec教授給出了一種可以控制廣度優先或者深度優先的方法。

以上圖為例，假設第一步是從t隨機遊走到v，這時候我們要確定下一步的鄰接節點。本例中，作者定義了p和q兩個參數變數來調節遊走，首先計算其鄰居節點與上一節點t的距離d，根據下面的公式得到α：

一般從每個節點開始遊走5~10次，步長則根據點的數量N遊走根號N步。如此便可通過random walk生成點的序列樣本。

得到序列之後，便可以通過word2vec的方式訓練得到各個用戶的特徵向量，通過餘弦相似度便可以計算各個用戶的相似度了。有了相似度，便可以使用基於用戶的推薦演算法了。

推薦系統需要根據用戶的歷史行為和興趣預測用戶未來的行為和興趣，因此大量的用戶行為數據就成為推薦系統的重要組成部分和先決條件。如何在沒有大量用戶數據的情況下設計個性化推薦系統並且讓用戶對推薦結果滿意從而願意使用推薦系統，就是冷啟動問題。

冷啟動問題主要分為三類：

針對用戶冷啟動，下面給出一些簡要的方案：
（1）有效利用賬戶信息。利用用戶注冊時提供的年齡、性別等數據做粗粒度的個性化；
（2）利用用戶的社交網路賬號登錄（需要用戶授權），導入用戶在社交網站上的好友信息，然後給用戶推薦其好友喜歡的物品；
（3）要求用戶在登錄時對一些物品進行反饋，手機用戶對這些物品的興趣信息，然後給用推薦那些和這些物品相似的物品；
（4）提供非個性化推薦。非個性化推薦的最簡單例子就是熱門排行榜，我們可以給用戶推薦熱門排行榜，然後等到用戶數據收集到一定的時候，在切換為個性化推薦。

對於物品冷啟動，可以利用新加入物品的內容信息，將它們推薦給喜歡過和他們相似的物品的用戶。

對於系統冷啟動，可以引入專家知識，通過一定高效的方式快速建立起物品的相關度表。

在上面介紹了一些推薦系統的基礎演算法知識，這些演算法大都是比較經典且現在還在使用的。但是需要注意的是，在實踐中，任何一種推薦演算法都不是單獨使用的，而是將多種推薦演算法結合起來，也就是混合推薦系統，但是在這里並不準備介紹，感興趣的可以查閱《推薦系統》或《推薦系統與深度學習》等書籍。此外，在推薦中非常重要的點擊率模型以及基於矩陣的一些排序演算法在這里並沒有提及，感興趣的也可自行學習。

雖然現在用的很多演算法都是基於深度學習的，但是這些經典演算法能夠讓我們對推薦系統的發展有一個比較好的理解，同時，更重要的一點——「推陳出新」，只有掌握了這些經典的演算法，才能提出或理解現在的一些更好地演算法。

❽ Spark筆記(1) ：餘弦相似度計算

spark

在推薦系統中，基於物品的協同過濾演算法是業界應用最多的演算法，它的思想是給用戶推薦那些和他們喜歡的物品相似的物品，主要分為兩個步驟：一，計算物品之間的相似度；二，根據物品相似度和用戶的歷史行為給用戶生成推薦列表。

其中物品的相似度的計算，可以通過餘弦相似度計算。餘弦相似度用向量空間中兩個向量夾角的餘弦值作為衡量兩個個體間差異的大小。餘弦值越接近1，就表明夾角越接近0度，也就是兩個向量越相似，這就叫"餘弦相似性"。
計算公式如下：

以文本相似度為例，用上述理論計算文本的相似性。

怎樣計算上面兩句話的相似程度？

基本思路是：如果這兩句話的用詞越相似，它們的內容就應該越相似。因此，可以從詞頻入手，計算它們的相似程度。
第一步，分詞

第二步，列出所有的詞

第三步，計算詞頻

第四步，寫出詞頻向量

問題就變成了如何計算這兩個向量的相似程度。可以想像成空間中的兩條線段，都是從原點出發，指向不同的方向。兩條線段之間形成一個夾角，如果夾角為0度，意味著方向相同、線段重合,這是表示兩個向量代表的文本完全相等；如果夾角為180度，意味著方向正好相反。因此，我們可以通過夾角的大小，來判斷向量的相似程度。夾角越小，就代表越相似。
使用上面的公式計算可得：

計算結果中夾角的餘弦值為0.81非常接近於1，所以，上面的句子A和句子B是基本相似的。

spark例子：

運行結果：

❾ 基於協同過濾的推薦演算法

協同過濾推薦演算法是最經典的推薦演算法，它的演算法思想為 物以類聚，人以群分 ，基本的協同過濾演算法基於以下的假設：

實現協同過濾的步驟：
1). 找到相似的Top-N個人或者物品 ：計算兩兩的相似度並進行排序
2). 根據相似的人或物品產生推薦結果 ：利用Top-N生成初始推薦結果，然後過濾掉用戶已經有過記錄或者明確表示不喜歡的物品

那麼，如何計算相似度呢？

根據數據類型的不同，相似度的計算方式也不同，數據類型有：

一般的，相似度計算有 傑卡德相似度、餘弦相似度、皮爾遜相關系數

在協同過濾推薦演算法中，我們更多的是利用用戶對物品的評分數據集，預測用戶對沒有評分過的物品的評分結果。

用戶-物品的評分矩陣，根據評分矩陣的稀疏程度會有不同的解決方案。

目的：預測用戶1對於物品E的評分

步驟分析：

實現過程

用戶之間的兩兩相似度：

物品之間的兩兩相似度：

❿ Neo4j 做推薦 （10）—— 協同過濾（皮爾遜相似性）

皮爾遜相似性或皮爾遜相關性是我們可以使用的另一種相似度量。這特別適合產品推薦，因為它考慮到 不同用戶將具有不同的平均評分 這一事實：平均而言，一些用戶傾向於給出比其他用戶更高的評分。由於皮爾遜相似性考慮了 均值的差異 ，因此該指標將解釋這些差異。

根據皮爾遜的相似度，找到與Cynthia Freeman最相似的用戶

MATCH (u1:User {name:"Cynthia Freeman"})-[r:RATED]->(m:Movie)

WITH u1, avg(r.rating) AS u1_mean

MATCH (u1)-[r1:RATED]->(m:Movie)<-[r2:RATED]-(u2)

WITH u1, u1_mean, u2, COLLECT({r1: r1, r2: r2}) AS ratings WHERE size(ratings) > 10

MATCH (u2)-[r:RATED]->(m:Movie)

WITH u1, u1_mean, u2, avg(r.rating) AS u2_mean, ratings

UNWIND ratings AS r

WITH sum( (r.r1.rating-u1_mean) * (r.r2.rating-u2_mean) ) AS nom,

sqrt( sum( (r.r1.rating - u1_mean)^2) * sum( (r.r2.rating - u2_mean) ^2)) AS denom,

u1, u2 WHERE denom <> 0

RETURN u1.name, u2.name, nom/denom AS pearson

ORDER BY pearson DESC LIMIT 100

Neo4j 做推薦 （1）—— 基礎數據

Neo4j 做推薦 （2）—— 基於內容的過濾

Neo4j 做推薦 （3）—— 協同過濾

Neo4j 做推薦 （4）—— 基於內容的過濾（續）

Neo4j 做推薦 （5）—— 基於類型的個性化建議

Neo4j 做推薦 （6）—— 加權內容演算法

Neo4j 做推薦 （7）—— 基於內容的相似度量標准

Neo4j 做推薦 （8）—— 協同過濾（利用電影評級）

Neo4j 做推薦 （9）—— 協同過濾（人群的智慧）

Neo4j 做推薦 （10）—— 協同過濾（皮爾遜相似性）

Neo4j 做推薦 （11）—— 協同過濾（餘弦相似度）

Neo4j 做推薦 （12）—— 協同過濾（基於鄰域的推薦）