推荐系统遇上深度学习(三十五)--强化学习在京东推荐中的探索(二)

本文介绍的论文题目为《Recommendations with Negative Feedback via Pairwise Deep Reinforcement Learning》，这应该是强化学习在京东推荐中的第二篇文章了，上一篇《Deep Reinforcement Learning for List-wise Recommendations》我们在本系列的第十五篇中已经介绍过了，大家可以进行回顾：推荐系统遇上深度学习(十五)--强化学习在京东推荐中的探索。

本文论文的下载地址为：https://arxiv.org/pdf/1802.06501.pdf

1、背景

现有的大多数推荐系统，如协同过滤、基于内容的方法，推荐过程大都是静态的，忽略了用户偏好的动态变化性。同时，大多数推荐系统的目标是最大化即时收益，如CVR、CTR等，忽略了对长期收益的考虑。

强化学习方法可以应对上述两个问题，强化学习将推荐问题视为序列决策问题，同时其目标是最大化长期受益。那么，京东是如何将强化学习应用到推荐系统中的呢？

2、问题陈述

对于一个强化学习问题来说，其主要包含五个主要因素：

状态空间S：状态空间中的状态定义为用户之前的浏览历史，包括点击／购买过的和略过的，二者分开进行处理。同时，物品是按照先后顺序进行排序的。 动作空间A：这里，我们假设一次只给用户推荐一个物品，那么推荐的物品即动作。 即时奖励R：在给用户推荐一个物品后，用户可以选择忽略、点击甚至购买该物品，根据用户的行为将给出不同的奖励。 状态转移概率P：状态的转移主要根据推荐的物品和用户的反馈来决定的。 折扣因子r：对未来收益打一定的折扣。

下图展示了强化学习用于推荐的过程：

3、基本模型框架

由于动作空间和状态空间巨大，很难直接使用Q-table来解决问题，因此这里使用Deep Q Network(DQN)来作为基准的模型。

在基本的框架里，当前状态s和状态之间的转移关系定义如下： 当前状态s: s={i1,i2,...,iN}，用户之前点击或购买过的N个物品，同时按照时间先后进行排序 s转移到s’：假设当前的推荐物品a，用户若点击或购买，则s'={i2,i3,...,iN,a}，若用户略过，则s'=s 。

有了上述定义，基本的模型框架如下：

我们每次将state以及待推荐的物品作为输入，转换为embedding后经过多层神经网络得到Q(s,a)。

当然，对于DQN来说，上面的网络被称为eval-net，我们通常还有一个target-net，用于计算Q的实际值，在已知即时奖励r的情况下，实际值计算如下：

这样，DQN的损失函数定义为平方损失，下式中y是Q的实际值：

对于基本模型来说，一个明显的缺点就是，当推荐的物品被用户忽略时，状态是不会发生变化的。因此对于用户忽略过的物品，也应该被考虑在状态中。那么具体该怎么做？在下一节中我们将进行讨论。

4、考虑负反馈以及偏序关系的强化学习推荐框架

在考虑负反馈的情况下，当前状态s和状态之间的转移关系定义如下： 当前状态s: 当前状态s包含两部分s=(s+,s-)，其中s+={i1,i2,...,iN}，表示用户之前点击或购买过的N个物品，s-={j1,j2,...,jN}，表示用户之前略过的N个物品。同时物品按照时间先后进行排序。 s转移到s’：假设当前的推荐物品a，用户若点击或购买，则s'+={i2,i3,...,iN,a}，若用户略过，则s'-={j2,j3,...,jN,a} 。那么，s' = (s'+,s'-)。

在考虑负反馈的情况下，模型框架为：

相较于基本的模型，该框架使用GRU来将s+,s-两个序列中的物品进行处理。

除考虑负反馈外，还考虑了物品之间的偏序关系，对于一个物品a，偏序对中的另一个物品我们称为aC，但只有满足三个条件，才可以称为aC。首先，aC必须与a是同一个类别的物品；其次，用户对于aC和a的反馈是不同的；最后，aC与a的推荐时间要相近。

若物品a找不到有偏序关系的物品aC，我们希望预估的Q值和实际的Q值相近，模型的损失函数为：

若物品a能够找到有偏序关系的物品aC，此时，我们既希望预估的Q值和实际的Q值相近，同时又希望有偏序关系的两个物品的Q值差距越大越好，因此模型的损失函数变为：

其中，y的计算如下：

至此，模型部分的介绍就结束了，当然，论文中还有关于模型训练和测试部分的内容，感兴趣的同学可以翻看一下论文！