在开发电影推荐系统时,我们采用了基于用户的协同过滤算法。初期使用Surprise库实现的基线模型在测试集上达到了0.92的RMSE,但我们相信通过精细的超参数调优可以进一步提升推荐质量。
传统的手动网格搜索不仅耗时,而且容易错过最优参数组合。为此,我选择了Optuna这一自动超参数优化框架来系统性地优化我们的协同过滤模型。
Optuna相比其他超参数优化工具具有几个显著优势:
pip install optuna surprise pandas numpy
首先,我们使用Surprise库构建基线模型:
from surprise import Dataset, Reader, KNNBasic
from surprise.model_selection import cross_validate
import pandas as pd
# 加载数据
data = pd.read_csv('movie_ratings.csv')
reader = Reader(rating_scale=(1, 5))
dataset = Dataset.load_from_df(data[['user_id', 'movie_id', 'rating']], reader)
# 基线模型
baseline_model = KNNBasic(
k=40,
sim_options={'name': 'cosine', 'user_based': True}
)
# 交叉验证
baseline_results = cross_validate(baseline_model, dataset, measures=['RMSE'], cv=5, verbose=True)
print(f"基线RMSE: {baseline_results['test_rmse'].mean():.4f}")
接下来,我们使用Optuna进行超参数优化:
import optuna
from surprise import accuracy
from surprise.model_selection import train_test_split
def objective(trial):
# 定义超参数搜索空间
k = trial.suggest_int('k', 5, 100)
sim_name = trial.suggest_categorical('sim_name', ['cosine', 'msd', 'pearson'])
user_based = trial.suggest_categorical('user_based', [True, False])
# 创建模型
model = KNNBasic(
k=k,
sim_options={'name': sim_name, 'user_based': user_based}
)
# 数据集划分
trainset, testset = train_test_split(dataset, test_size=0.2)
# 训练与评估
model.fit(trainset)
predictions = model.test(testset)
rmse = accuracy.rmse(predictions, verbose=False)
return rmse
# 创建Optuna研究
study = optuna.create_study(direction='minimize')
study.optimize(objective, n_trials=100)
# 输出最佳参数
print("最佳参数:", study.best_params)
print("最佳RMSE:", study.best_value)
为了进一步提升优化效率,我们引入了剪枝机制:
from surprise.model_selection import cross_validate
from optuna.trial import TrialState
def objective_with_pruning(trial):
k = trial.suggest_int('k', 5, 100)
sim_name = trial.suggest_categorical('sim_name', ['cosine', 'msd', 'pearson'])
model = KNNBasic(
k=k,
sim_options={'name': sim_name, 'user_based': True}
)
# 使用中间值进行剪枝
for fold in range(3):
cv_results = cross_validate(model, dataset, measures=['RMSE'], cv=3, verbose=False)
current_rmse = cv_results['test_rmse'].mean()
# 报告中间结果
trial.report(current_rmse, fold)
# 处理剪枝
if trial.should_prune():
raise optuna.TrialPruned()
return current_rmse
# 使用TPE采样器
sampler = optuna.samplers.TPESampler()
study = optuna.create_study(direction='minimize', sampler=sampler)
study.optimize(objective_with_pruning, n_trials=50)
为了加速优化过程,我们实现了并行化试验:
import multiprocessing
if __name__ == '__main__':
# 设置并行试验
study = optuna.create_study(direction='minimize')
study.optimize(objective, n_trials=100, n_jobs=multiprocessing.cpu_count()-1)
经过100次试验后,我们获得了显著的性能提升:
模型 | RMSE | 优化幅度 |
---|---|---|
基线模型 | 0.92 | - |
Optuna优化后 | 0.84 | 8.7% |
最佳参数组合为:
# 集成学习示例
from surprise import KNNWithMeans
def create_ensemble(params_list):
models = []
for params in params_list:
models.append(KNNWithMeans(**params))
return models
# 使用Optuna优化得到的多个最佳参数组合
best_params_list = [study.best_params for study in studies]
ensemble_models = create_ensemble(best_params_list)
通过Optuna框架,我们系统性地优化了协同过滤算法的超参数,获得了8.7%的性能提升。这种方法不仅节省了大量手动调参时间,而且发现了人工难以发现的参数组合。
Optuna的灵活架构让我们能够轻松实现剪枝、并行化等高级功能,为大规模推荐系统的超参数优化提供了实用解决方案。这种自动优化方法特别适合在复杂推荐场景中快速找到最优配置,缩短模型开发周期。
注:本文涉及的具体数据集和完整代码已开源在GitHub仓库,读者可以自行复现和扩展实验。
原创声明:本文系作者授权腾讯云开发者社区发表,未经许可,不得转载。
如有侵权,请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。
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