【推荐系统】专栏历史部分文章:
作为【推荐系统】系列文章的第十五篇,将以“xDeepFM”作为今天的主角,中科大、北大与微软合作发表在 KDD’18 的文章:《xDeepFM: Combining Explicit and Implicit Feature Interactions for Recommender Systems》。本文主要对xDeepFM进行详细描述,并进行代码实现。
传统交叉特征工程主要有三个缺点,以下部分来自paper:
FM会将每个特征i嵌入到一个隐因子向量
上,pairwise型特征交叉可以被建模成隐向量的内积:
。在本paper中,使用术语bit来表示在隐向量中的一个元素(比如:
)。经典的FM可以被扩展到专门的高阶特征交叉上,但一个主要缺点是:会建模所有的特征交叉,包括有用组合和无用组合。无用组合会引入噪声、以及效果的下降。最近几年,DNNs越来越流行。利用DNNs可以学习复杂和可选择的特征交叉。FNN用于学习高阶特征交叉,它会使用对于field embedding的预训练FM,然后应用于DNN。PNN则不依赖预训练的FM,而是在embedding layer和DNN layer之间引入了一个product layer。FNN和PNN的主要缺点是,它们主要更多关注高阶特征交叉,而非低阶交叉。Wide&Deep模型和DeepFM模型通过引入混合结构克服了上面的缺点,它包含了一个shallow组件以及一个deep组件,可以学到memorization和generalization。因而可以联合学习低阶和高阶特征交叉。
上面的所有模型都使用DNN来学习高阶特征交叉。然而,DNN可以以一个隐式的方式建模高阶特征交叉。由DNN学到的最终函数可以是任意形式,关于特征交叉的最大阶数(maximum degree)没有理论上的结论。另外,DNNs在bit-wise级别建模征交叉,这与FM框架不同(它会在vector-wise级别建模)。这样,在推荐系统的领域,其中DNN是否是用于表示高阶特征交叉的最有效模型,仍然是一个开放问题。在本paper中,我们提供了一个基于NN的模型,以显式、vector-wise的方式来学习特征交叉。论文的方法基于DCN(Deep&Cross Network)之上,该方法能有效捕获有限阶数(bounded degree)的特征交叉,然而,DCN将带来一种特殊形式的交叉。论文设计了一种新的压缩交叉网络CIN(compressed interaction network)来替换在DCN中的cross network。CIN可以显式地学到特征交叉,交叉的阶数会随着网络depth增长。根据Wide&Deep模型和DeepFM模型的精神,论文会结合显式高阶交叉模块和隐式交叉模型,以及传统的FM模块,并将该联合模型命名为“eXtreme Deep Factorization Machine (xDeepFM)”。这种新模型无需人工特征工程,可以让数据科学家们从无聊的特征搜索中解放出来。总结一下,主要有三个贡献:
在CV或NLP领域,输入数据通常是图片或文本信号,它们空间相关(spatially correlated)或时序相关(temporally correlated),因而DNN可以被直接应用到dense结构的原始特征上。然而,在推荐系统中,输入特征是sparse、高维、没有明显地空间相关或时序相关。因此,multi-field类别形式被广泛使用。例如,一个输入实例为:
[user_id=s02, gender=male, organization=msra, interests=comedy&rock]
通过field-aware one-hot进行编码成高维稀疏特征:
在原始特征输入上使用一个embedding layer,可以将它压缩到一个低维、dense、real-value vector上。如果field是一阶的(univalent),feature embedding被当成field embedding使用。以上述实例为例,特征(male)的embedding被当成field gender的embedding。如果field是多阶的(multivalent),feature embedding的求和被用于field embedding。embedding layer如下图所示。embedding layer的结果是一个wide concatenated vector:
其中,m表示fields的数目,
表示一个field的embedding。尽管实例的feature长度可以是多变的,它们的embedding具有相同的长度 m x D, 其中D是field embedding的维数。下图中,field embedding layer。本例中embedding的维度是4
FNN, Deep&Cross,以及Wide&Deep的deep part会使用一个在field embedding vector e上的feed-forward神经网络来学习高阶特征交叉。forward process是:
其中,k是layer depth,
是激活函数,
是第k层的output。可视化结构与下图展示的非常像,但不包括FM layer或Product layer。该结构会以bit-wise的方式建模交叉。也就是说,相同field embedding vector中的元素也会相互影响。
PNN和DeepFM在上述结构上做了小修改。除了在embedding vector e上应用了DNNs外,它们在网络中添加了一个2-way interaction layer。因而,bit-wise和vector-wise的交叉都能在模型中包含。PNN和DeepFM中主要不同是,PNN会将product layer的输出连接到DNNs中,而DeepFM会直接将FM layer连接给output unit。
Cross Network(CrossNet)的结构如下图所示:
它可以显式建模高阶特征交叉。不同于经典的fully-connected feed-forward network,它的hidden layers通过以下的cross操作进行计算:
其中,
是第k层的weights,bias以及output。对于CrossNet能学到一个特殊类型的高阶交叉这一点我们有争论,其中,CrossNet中的每个hidden layer是一个关于
的标量乘积。
theorem: 考虑到一个k层cross network,第i+1层的定义为:
。接着,cross network的output
是一个关于
的标量乘积。
证明如下:
k=1时,根据矩阵乘法的结合律和分配律,我们具有:
其中,标量
实际上是关于
的线性回归。其中,
是关于
的一个标量乘。假设标量乘适用于k=i。对于k=i+1, 我们可以有:
其中,
是一个标量。其中,
仍是一个关于
的标量乘。通过引入hypothesis,cross network的output
是一个关于
的标量乘。
注意,
并不意味着
是与
是线性关系的。系数
是与
敏感的。CrossNet可以非常有效地学到特征交叉(复杂度与一个DNN模型对比是微不足道的),然而,缺点是:
的一个标量乘
论文设计了一个新的cross network,命名为CIN(Compressed Interaction Network),具有如下注意事项:
由于一个embedding vector被看成是一个关于vector-wise 交叉的unit,后续会将field embedding公式化为一个矩阵:
,其中,假设
,
表示在第k层的(embedding)feature vectors的数量。对于每一层,
通过以下方式计算:
其中
,
是第h个feature vector的参数矩阵,
表示Hadamard product,例如:
。注意,
通过在
和
间的交叉产生,其中,特征交叉会被显式衡量,交叉的阶数会随着layer depth增长。CIN的结构与RNN非常相似,其中下一个hidden layer的outputs取决于最近一个(the last)的hidden layer和一个额外的input。论文在所有layers上都持有embedding vectors的结构,这样,即可在vector-wise级别上使用交叉。
有意思的是,等式与CNN具有很强的关联。如上图 a 所示,引入了一个内部张量(intermediate tensor)
,其中,它是hidden layer
和原始特征矩阵
的外积(outer products:沿着每个embedding维度)。
被看成是一个特殊类型的图片,
看成是一个filter。如上图 b 所示跨
沿着该embedding dimension(D)滑动该filter,获得一个hidden vector
,这在CV中通常被称为一个feature map。在CIN命名中所使用的术语"compressed"表示了第k个hidden layer会将
向量的隐空间压缩到
向量中。
上图中,提供了CIN的一个总览。假设T表示网络的深度。每个hidden layer
具有一个与output units的连接。首先在hidden layer的每个feature map上使用sum pooling:
其中,
。这样,就可以得到一个pooling vector:
,对于第k个hidden layer相应的长度为
。hidden layers的所有polling vectors在连接到output units之前会被concatenated:
。如果直接使用CIN进行分类,output unit是在
上的一个sigmoid节点:
其中,
是回归参数。
论文对CIN进行分析,研究了模型复杂度以及潜在的效果。
在第k层的第h个feature map,包含了
个参数,它与
具有相同的size。因而,在第k层上具有
个参数。考虑到对于output unit的当前最近(the last)的regression layer,它具有
个参数,CIN的参数总数是
。注意,CIN与embedding dimension D相互独立。相反的,一个普通的T-layers DNN包含了
个参数,参数的数目会随着embedding dimension D而增长。
通常,m和
不会非常大,因而,
的规模是可接受的。当有必要时,我们可以利用一个L阶的分解,使用两个小的矩阵
以及
来替换
:
其中
以及
。出于简洁性,论文假设每个hidden layer都具有相同数目(为H)的feature maps。尽管L阶分解,CIN的空间复杂度从
下降到
。相反的,普通DNN的空间复杂度是
,它对于field embedding的维度D是敏感的。
计算tensor
的开销是O(mHD)。由于在第一个hidden layer上具有H个feature maps,计算一个T-layers CIN会花费
时间。相反的,一个T-layer plain DNN,会花费
时间。因此,CIN的主要缺点是在时间复杂度上。
接下来,作者检查了CIN的高阶交叉属性。出于简洁性,论文假设,在hidden layers上的feature maps数目,等于fields m的数目。假设[m]表示小于或等于m的正整数集。在第1层上的第h个feature map,表示为
,通过下式计算:
因此,在第1层的每个feature map会使用
个系数来建模pair-wise特征交叉。相似的,在第2层的第h个feature map为:
注意,l和k相关的所有计算在前一个hidden layer已经完成。在等式
扩展的因子是为了清晰。可以观察到,在第二层的每个feature map会使用
新参数来建模3-way交叉。
一个经典的k阶多项式具有
系数。展示了CIN会逼近这类型多项式,根据一个feature maps链,只需要
个参数。通过引入hypothesis,我们可以证明,在第k层的第h个feature map为:
为了更好地演示,假设
表示一个multi-index,其中
。会从
中忽略原始的上标,使用
来表示它,因为对于最终展开的表达式,只关心来自第0层(等同于field embedding)的feature maps。现在,使用一个上标来表示向量操作,比如
。假设
表示一个multi-vector 多项式的阶数k:
在该类中的每个向量多项式都具有
个系数。接着,我们的CIN接似系数
:
其中,
是一个multi-index,
是索引(
)的所有排列。
我们知道plain DNNs可以学到隐式高阶特征交叉。由于CIN和plain DNNs可以互补,一个直观的做法是,将这两种结构进行组合使模型更强。产生的模型与Wide&Deep和DeepFM非常像。结构如下图所示,新模型命名为eXtreme Deep Factorization Machine(xDeepFM),一方面,它同时包含了低阶和高阶特征交叉;另一方面,它包含了隐式特征交叉和显式特征交叉。它产生的output unit如下:
其中,a是原始特征。
分别是是plain DNN和CIN的outputs。
和b是可学习的参数。对于二分类,loss函数为log loss:
其中,N是训练实例的总数。Optimization过程是最小化下面的目标函数:
其中
表示正则项,
表示参数集,包含linear part,CIN part,DNN part。
假设所有field是一阶的(univalent)。如上图所示(xDeepFM的结构),当depth和CIN part的feature maps同时设为1时,xDeepFM就是DeepFM的一个泛化,通过为FM layer学习线性回归权重实现(注意,在DeepFM中,FM layer的units直接与output unit相连,没有任何系数)。当我们进一步移去DNN part,并同时为该feature map使用一个constant sum filter(它简单采用输入求和,无需任何参数学习),接着xDeepFM就变成了传统的FM模型。
详细注释写在了代码中, 其中不太直观的地方有两处, 这里写了很简单的测试用例, 可以用于后续的参考:dot_result_m = tf.matmul(split_tensor0, split_tensor, transpose_b=True)
import tensorflow as tf
B = 2
D = 3
m = 2
H = 2 ## 理解为 H_{k-1}
a = tf.reshape(tf.range(B * D * m, dtype=tf.float32),
(B, m, D))
b = tf.split(a, D * [1], 2)
c = tf.matmul(b, b, transpose_b=True)
with tf.Session() as sess:
print(sess.run(tf.shape(c))) ## shape 为 [D, B, m, H_{k-1}]
curr_out = tf.nn.conv1d(dot_result, filters=self.filters[idx], stride=1, padding='VALID')
import tensorflow as tf
B = 2
D = 3
E = 4 ## 代表 m * H_{k-1}
F = 5 ## 代表 H_{k}
a = tf.reshape(tf.range(B * D * E, dtype=tf.float32),
(B, D, E))
b = tf.reshape(tf.range(1 * E * F, dtype=tf.float32),
(1, E, F))
curr_out = tf.nn.conv1d(
a, filters=b, stride=1, padding='VALID')
with tf.Session() as sess:
print(sess.run(tf.shape(curr_out))) ## 结果为 [B, D, H_{k}]
CIN 模块的代码如下:
class CIN(Layer):
"""Compressed Interaction Network used in xDeepFM.This implemention is
adapted from code that the author of the paper published on https://github.com/Leavingseason/xDeepFM.
Input shape
- 3D tensor with shape: ``(batch_size,field_size,embedding_size)``.
Output shape
- 2D tensor with shape: ``(batch_size, featuremap_num)`` ``featuremap_num = sum(self.layer_size[:-1]) // 2 + self.layer_size[-1]`` if ``split_half=True``,else ``sum(layer_size)`` .
Arguments
- **layer_size** : list of int.Feature maps in each layer.
- **activation** : activation function used on feature maps.
- **split_half** : bool.if set to False, half of the feature maps in each hidden will connect to output unit.
- **seed** : A Python integer to use as random seed.
References
- [Lian J, Zhou X, Zhang F, et al. xDeepFM: Combining Explicit and Implicit Feature Interactions for Recommender Systems[J]. arXiv preprint arXiv:1803.05170, 2018.] (https://arxiv.org/pdf/1803.05170.pdf)
"""
def __init__(self, layer_size=(128, 128), activation='relu', split_half=True, l2_reg=1e-5, seed=1024, **kwargs):
if len(layer_size) == 0:
raise ValueError(
"layer_size must be a list(tuple) of length greater than 1")
self.layer_size = layer_size
self.split_half = split_half
self.activation = activation
self.l2_reg = l2_reg
self.seed = seed
super(CIN, self).__init__(**kwargs)
def build(self, input_shape):
if len(input_shape) != 3:
raise ValueError(
"Unexpected inputs dimensions %d, expect to be 3 dimensions" % (len(input_shape)))
self.field_nums = [int(input_shape[1])]
self.filters = []
self.bias = []
for i, size in enumerate(self.layer_size):
## layer_size 对应着论文中的 H_{k}, 表示 CIN 每层中 feature map 的个数
## self.filters[i] 的 shape 为 [1, m * H_{k-1}, H_{k}]
self.filters.append(
self.add_weight(name='filter' + str(i),
shape=[1, self.field_nums[-1] * self.field_nums[0], size],
dtype=tf.float32, initializer=glorot_uniform(seed=self.seed + i),
regularizer=l2(self.l2_reg)))
## self.bias[i] 的 shape 为 [H_{k}]
self.bias.append(
self.add_weight(name='bias' + str(i),
shape=[size], dtype=tf.float32,
initializer=tf.keras.initializers.Zeros()))
if self.split_half:
if i != len(self.layer_size) - 1 and size % 2 > 0:
raise ValueError(
"layer_size must be even number except for the last layer when split_half=True")
self.field_nums.append(size // 2)
else:
self.field_nums.append(size)
self.activation_layers = [activation_layer(
self.activation) for _ in self.layer_size]
super(CIN, self).build(input_shape) # Be sure to call this somewhere!
def call(self, inputs, **kwargs):
## inputs 的 shape 为 [B, m, D], 其中 m 为 Field 的数量,
## D 为 embedding size, 我注释的符号尽量和论文中的一样
if K.ndim(inputs) != 3:
raise ValueError(
"Unexpected inputs dimensions %d, expect to be 3 dimensions" % (K.ndim(inputs)))
dim = int(inputs.get_shape()[-1]) # D
hidden_nn_layers = [inputs]
final_result = []
## split_tensor0 表示 list: [x1, x2, ..., xD], 其中 xi 的 shape 为 [B, m, 1]
split_tensor0 = tf.split(hidden_nn_layers[0], dim * [1], 2)
for idx, layer_size in enumerate(self.layer_size):
## split_tensor 表示 list: [t1, t2, ..., tH_{k-1}], 即有 H_{k-1} 个向量;
## 其中 ti 的 shape 为 [B, H_{k-1}, 1]
split_tensor = tf.split(hidden_nn_layers[-1], dim * [1], 2)
## dot_result_m 为一个 tensor, 其 shape 为 [D, B, m, H_{k-1}]
dot_result_m = tf.matmul(
split_tensor0, split_tensor, transpose_b=True)
## dot_result_o 的 shape 为 [D, B, m * H_{k-1}]
dot_result_o = tf.reshape(
dot_result_m, shape=[dim, -1, self.field_nums[0] * self.field_nums[idx]])
## dot_result 的 shape 为 [B, D, m * H_{k-1}]
dot_result = tf.transpose(dot_result_o, perm=[1, 0, 2])
## 牛掰啊, 还可以这样写, 精彩!
## self.filters[idx] 的 shape 为 [1, m * H_{k-1}, H_{k}]
## 因此 curr_out 的 shape 为 [B, D, H_{k}]
curr_out = tf.nn.conv1d(
dot_result, filters=self.filters[idx], stride=1, padding='VALID')
## self.bias[idx] 的 shape 为 [H_{k}]
## 因此 curr_out 的 shape 为 [B, D, H_{k}]
curr_out = tf.nn.bias_add(curr_out, self.bias[idx])
## curr_out 的 shape 为 [B, D, H_{k}]
curr_out = self.activation_layers[idx](curr_out)
## curr_out 的 shape 为 [B, H_{k}, D]
curr_out = tf.transpose(curr_out, perm=[0, 2, 1])
if self.split_half:
if idx != len(self.layer_size) - 1:
next_hidden, direct_connect = tf.split(
curr_out, 2 * [layer_size // 2], 1)
else:
direct_connect = curr_out
next_hidden = 0
else:
direct_connect = curr_out
next_hidden = curr_out
final_result.append(direct_connect)
hidden_nn_layers.append(next_hidden)
## 先假设不走 self.split_half 的逻辑, 此时 result 的
## shape 为 [B, sum(H_{k}), D] (k=1 -> T, T 为 CIN 的总层数)
result = tf.concat(final_result, axis=1)
## result 最终的 shape 为 [B, sum(H_{k})]
result = reduce_sum(result, -1, keep_dims=False)
return result