基于矩阵分解的电影推荐算法（使用Tensorflow实现）

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
# 文中部分参考了：
# https://blog.csdn.net/u012845311/article/details/77183491
# 改进：要划分训练集和测试集，并在进行模型评估阶段，可参考之前做过的协同过滤推荐系统中的，
# 通过prediction[ground_truth.nonzero()]来筛选只考虑测试数据集中的预测评分
import pandas as pd
import numpy as np
import tensorflow as tf

# 第一步：------------------------收集和清洗数据

ratings_df = pd.read_csv('F:\Machine\data_sets\ml-latest-small/ratings.csv')
# print(ratings_df.tail())
# tail命令用于输入文件中的尾部内容。tail命令默认在屏幕上显示指定文件的末尾5行。
# 相对应的有：ratings_df.head()
movies_df = pd.read_csv('F:\Machine\data_sets\ml-latest-small/movies.csv')
movies_df['movieRow'] = movies_df.index
# 生成一列‘movieRow’，等于索引值index
# print(movies_df.tail())

movies_df = movies_df[['movieRow', 'movieId', 'title']]
# 筛选三列出来
movies_df.to_csv('F:\Machine\data_sets\ml-latest-small/moviesProcessed.csv', index=False, header=True, encoding='utf-8')
# 生成一个新的文件moviesProcessed.csv
print(movies_df.tail())

ratings_df = pd.merge(ratings_df, movies_df, on='movieId')
# print(ratings_df.head())
ratings_df = ratings_df[['userId', 'movieRow', 'rating']]
# 筛选出三列
ratings_df.to_csv('F:\Machine\data_sets\ml-latest-small/ratingsProcessed.csv', index=False, header=True, encoding='utf-8')
# 导出一个新的文件ratingsProcessed.csv
print(ratings_df.head())


# 第二步：-----------------------创建电影评分矩阵rating和评分纪录矩阵record

userNo = ratings_df['userId'].max() + 1
# userNo的最大值
movieNo = ratings_df['movieRow'].max() + 1
# movieNo的最大值

rating = np.zeros((movieNo, userNo))
print(rating.shape)
# 创建一个值都是0的数据
flag = 0
ratings_df_length = np.shape(ratings_df)[0]

print(np.shape(ratings_df))
# 查看矩阵ratings_df的第一维度是多少
for index, row in ratings_df.iterrows():
    # interrows（），对表格ratings_df进行遍历
    # rating[int(row['movieRow']), int(row['userId'])] = row['rating']
    # 等价于：
    rating[int(row['movieRow'])][int(row['userId'])] = row['rating']
    # 在rating表里的'movieRow'行和'userId'列处，填上row的‘评分’，即ratings_df对应的评分
    flag += 1
    # if (ratings_df_length-flag) % 5000 == 0:
    #     print(u'还剩多少待处理：%d' %(ratings_df_length-flag))
# print(rating[3][450])
record = rating > 0
record = np.array(record, dtype=int)
print(record)


# 第三步：----------------------------构建模型

def normalizeRatings(rating, record):
    m, n = rating.shape
    #m代表电影数量，n代表用户数量
    rating_mean = np.zeros((m, 1))
    #每部电影的平均得分
    rating_norm = np.zeros((m, n))
    #处理过的评分
    for i in range(m):
        idx = (record[i, :] != 0)
        #每部电影的评分，[i，:]表示每一行的所有列
        rating_mean[i] = np.mean(rating[i, idx])
        # 第i行，评过份idx的用户的平均得分
        # np.mean() 对所有元素求均值
        rating_norm[i, idx] = rating[i, idx] - rating_mean[i]
        #rating_norm = 原始得分-平均得分
    return rating_norm, rating_mean

rating_norm, rating_mean = normalizeRatings(rating, record)
rating_norm = np.nan_to_num(rating_norm)
# 对值为NaNN进行处理，改成数值0
# print(rating_norm)
rating_mean = np.nan_to_num(rating_mean)
# 对值为NaNN进行处理，改成数值0
# print(rating_mean)

# 构建模型
num_features = 12
X_parameters = tf.Variable(tf.random_normal([movieNo, num_features], stddev = 0.35))
Theta_parameters = tf.Variable(tf.random_normal([userNo, num_features], stddev = 0.35))
# tf.Variables()初始化变量
# tf.random_normal()函数用于从服从指定正太分布的数值中取出指定个数的值，mean: 正态分布的均值。stddev: 正态分布的标准差。dtype: 输出的类型
loss = 1/2 * tf.reduce_sum(((tf.matmul(X_parameters, Theta_parameters, transpose_b=True) - rating_norm) * record) ** 2) + \
       0.5*(1/2 * (tf.reduce_sum(X_parameters ** 2) + tf.reduce_sum(Theta_parameters ** 2)))
# 基于内容的推荐算法模型
train = tf.train.AdamOptimizer(1e-3).minimize(loss)
# https://blog.csdn.net/lenbow/article/details/52218551
# Optimizer.minimize对一个损失变量基本上做两件事
# 它计算相对于模型参数的损失梯度。
# 然后应用计算出的梯度来更新变量。


# 第四步：------------------------------------训练模型

# tf.summary的用法 https://www.cnblogs.com/lyc-seu/p/8647792.html
tf.summary.scalar('train_loss', loss)
# 用来显示标量信息
summaryMerged = tf.summary.merge_all()
# merge_all 可以将所有summary全部保存到磁盘，以便tensorboard显示。
filename = 'F:\Machine\data_sets\ml-latest-small/movie_tensorborad.csv'
writer = tf.summary.FileWriter(filename)
# 指定一个文件用来保存图。
sess = tf.Session()
# https://www.cnblogs.com/wuzhitj/p/6648610.html
init = tf.global_variables_initializer()
sess.run(init)
# 运行
for i in range(2000):
    _, movie_summary = sess.run([train, summaryMerged])
    # 把训练的结果summaryMerged存在movie里
    writer.add_summary(movie_summary, i)
    # 把训练的结果保存下来


# 第五步：-------------------------------------评估模型

Current_X_parameters, Current_Theta_parameters = sess.run([X_parameters, Theta_parameters])
# Current_X_parameters为电影内容矩阵，Current_Theta_parameters用户喜好矩阵
predicts = np.dot(Current_X_parameters, Current_Theta_parameters.T) + rating_mean
# dot函数是np中的矩阵乘法，np.dot(x,y) 等价于 x.dot(y)
errors = np.sqrt(np.sum(((predicts - rating) * record)**2))
# sqrt(arr) ,计算各元素的平方根
print(u'模型评估errors：', errors)


# 第六步：--------------------------------------构建完整的电影推荐系统

user_id = input(u'您要想哪位用户进行推荐？请输入用户编号：')
sortedResult = predicts[:, int(user_id)].argsort()[::-1]
# argsort()函数返回的是数组值从小到大的索引值; argsort()[::-1] 返回的是数组值从大到小的索引值
print(u'为该用户推荐的评分最高的20部电影是：'.center(80, '='))
# center() 返回一个原字符串居中,并使用空格填充至长度 width 的新字符串。默认填充字符为空格。
idx = 0
for i in sortedResult:
    print(u'评分: %.2f, 电影名: %s' % (predicts[i, int(user_id)]-2, movies_df.iloc[i]['title']))
    # .iloc的用法：https://www.cnblogs.com/harvey888/p/6006200.html
    idx += 1
    if idx == 20:
        break


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