【推荐系统算法】BPMF(Bayesian Probabilistic Matrix Factorization)

Salakhutdinov, Ruslan, and A. Mnih. “Bayesian probabilistic matrix factorization using markov chain monte carlo.” International Conference on Machine Learning 2008:880-887.

对PMF模型以及应用场景不熟悉的同学可以先阅读这篇基础PMF。
本论文的模型和前文类似,但在求解时,是从贝叶斯角度而不是传统概率角度出发:不再把系统参数当做一个固定值估计,而是作为一个服从某种分布的随机变量,转而估计该分布的参数

问:明天什么天气? 传统观点估计:呃,晴天吧。 贝叶斯观点估计:60%晴天,40%下雨。传统观点估计:你个心机婊。

模型

N×M 关系矩阵 R 来描述 N 个用户给 M 部电影的打分。这里 R 为观测值。

p(R)N(R|UTV,α1)=ijN(Rij|UTiVj,α1)

矩阵高斯函数等于其元素高斯函数的乘积。其中标量 α 为精度,等价于协方差的倒数(这样写是为了后续计算方便)。
R 的各个位置(即各次观测)的精度相同。

U,V 尺寸为 N×D,M×D ,也服从高斯分布。(在基础PMF中,U,V都是待求的固定值)

p(U)N(U|μU,Λ1U)=iN(Ui|μU,Λ1U)

p(V)N(V|μV,Λ1V)=jN(Vj|μV,Λ1V)

所有用户共享一组超参数 μU,ΛU ,尺寸为 D×1,D×D 。所有电影同样共享一组超参数 μV,ΛV
超参数 μ,Λ 服从Gaussian-Wishart分布,表示为一个均值的高斯分布,以及一个协方差的威沙特分布的乘积。

p(μ,Λ)N(μ|μ0,(β0Λ)1)W(Λ|W0,ν0)

其中 μ0=0,W0=I,ν0=D 。为书写简便,记为 ΘU={μU,ΛU} , ΘV={μV,ΛV}

预测

R 表示预测出的关系矩阵。在贝叶斯观点下,推荐问题转化为:已知观测矩阵 R ,求预测矩阵的概率 p(R|R)
这个概率本身非常难求,所以退 而求其次:按照概率 p(R|R) ,生成预测 R 即可,多输出几次在统计意义上就准确了。

在已知 U,V 的情况下, R 的分布参数 α 已知。问题转化为:生成符合概率分布 p(U|R)p(V|R) U,V

核心变量是特征 U,V ,以及超参数 ΘU,ΘV 。设定初始值 U1,V1 。使用MCMC方法,按照如下步骤逐步逼近稳态分布
- 固定 U,V ,按照 p(ΘU|U),p(ΘV|V) ΘU,ΘV 进行采样
- 固定 ΘU,V 以及观测 数据 R ,根据 p(U|R,V,ΘU) ,对 U 采样
- 固定 ΘV,U 以及观测 数据 R ,根据 p(V|R,U,ΘV) ,对 V 采样
每完成这样一轮,称为一个Epoch。随着epoch增加,生成的预测矩阵 R 的分布逐渐准确。

在迭代的第一个步骤中,由于已知 U 时, R ΘU 无影响,所以条件中没有 R

根据特征,更新超参数

固定 U ,更新 ΘU ,要求的条件概率为 p(ΘU|U)
利用条件概率性质,凑出两项形式已知的条件概率:

p(ΘU|U)p(U)=p(ΘU,U)=p(U|ΘU)p(ΘU)

由于 U 已知,故p(U)为常量:
p(ΘU|U)p(U|ΘU)p(ΘU)

已知p(A|B),欲求p(B|A)。经典推导: p(A|B)p(B)=p(B|A)p(A)

右边两项均有明确的概率形式,但如果直接计算运算量太大,以下将其转换为简单的参数形式。
右侧第一项是一个高斯分布,第二项是高斯分布和威沙特分布的乘积。由于高斯乘积仍为高斯,两项乘积仍然是高斯分布和威沙特分布的乘积。需要求其参数 μ0,ν0,W0,β0 ,维度为 D

考察上式右侧的两个高斯分布和一个威沙特分布,写出和 μU,ΛU 有关的项:

A1=ΛN/2Uexp[12i=1N(UiμU)TΛU(UiμU)]

A2=(β0ΛU)1/2exp[12(μUμ0)Tβ0ΛU(μUμ0)]

A3=|ΛU|(ν0D1)/2exp[12Tr(W10ΛU)]

对比标准高斯威沙特分布:

B1=(β0Λ)1/2exp[12(μUμ0)Tβ0ΛU(μUμ0)]

B2=|ΛU|(ν0D1)/2exp[12Tr((W0)1ΛU)]

应该找出这样的 μ0,ν0,W0 ,使得 A1A2A3=B1B2

考察 ΛU 的指数:

N+1+ν0D1=1+ν0D1ν0=ν0+N

考察指数中 μTUΛUμU 项:

β0=N+β0

考察指数中 ΛUμU 项:

i=1NUi+β0μ0=β0μ0μ0=Ni=1Ui+β0μ0β0+N

W0 我实在导不出来了,哪位神指教一下论文里这是为啥:
【推荐系统算法】BPMF(Bayesian Probabilistic Matrix Factorization)_第1张图片

根据超参数,更新特征

固定 V,R,ΘU ,更新 U 。要求的条件概率是 p(U|R,V,ΘU)
同样利用条件概率性质:

p(U|R,V,ΘU)p(R|V,ΘU)=p(U,R|V,ΘU)

=p(R|U,V,ΘU)p(U|V,ΘU)

在这一步中, R,V,ΘU 已知,所以等号左边第二项为常数; R ΘU 无关, U,V 无关,等号右边相应删减:

p(U|R,V,ΘU)p(R|U,V)p(U|ΘU)

由于右侧两个高斯函数的乘积仍然是高斯函数,故待求概率也是高斯分布。需要求其参数 μ,Λ

考察上式指数部分:

ij[α(RijUTiVj)2]i(UTiμTU)ΛU(UμU)+C

把指数部分和 U 有关的项提出来:

=12ijUTiVjαVTjUi+iUTiΛUUi

=ijUTiαRijVj+iUTiΛUμU

对比一个经典高斯分布 N(μ,α) 的指数部分 12(xμ)Tα(xμ)

=12xTΛx

=xTΛμ

两相对比,可以推导出超参数的取值:

Λ=αjVjVTj+ΛU

μ=(Λ)1αjRijVj+ΛUμU

从物理意义上来说:由于知道了 V,R ,对于 U 的了解更多了,所以精度增加了。

这种在指数部分“凑平方”(complete the square)的方法是处理高斯函数的经典方法。在《Pattern Recognition and Machine Learning》的2.3.1章有着重介绍。

p(V|R,U,ΘV) 用同样方法求得高斯参数。直接对高斯函数采样即可。

实验

实验数据和基础PMF相同。由于使用了贝叶斯估计,降低了过拟合现象,精度有所提高(1.7%)。
D = 10,每轮采样需要6.6分钟;D=300,则需要220分钟。

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