论文《Deep Interest Network for Click-Through Rate Prediction》

DIN模型

论文地址：https://arxiv.org/pdf/1706.06978.pdf
提出DIN模型的原因：

当前CTR预估都是Embedding&MLP结构：高维稀疏输入特征按照特征组先映射成低维固定长度的embedding向量，然后拼接起来，喂给MLP网络中进行训练。这里面用户的向量表示因为是有限的固定长度，很难表示用户的多个兴趣。而在电子商务网站里面，用户可能同时对多个商品感兴趣。

在Embedding&MLP框架里面，用户的多个兴趣被压缩成一个固定有限长的向量，其实表达能力是受限的。一方面，不可能无限增大向量维度，因为可能产生过拟合，而且参数会变多，计算和存储耗时会让线上推断变的不可接受；另一方面，没有必要将所有兴趣压缩到一个相同的向量里面，因为用户的行为仅受到一部分兴趣影响，例如一个游泳爱好者点击泳镜，主要是因为上周买的泳装而不是上周买的鞋子。

论文提出的DIN能给定一个候选的item，考虑用户历史行为，自适应的计算用户的向量表示。与候选item相关性高的历史行为，对用户向量表示的贡献就大，反之就小，不同的候选item得到的用户向量不一样。

同时，还提出另外2个创新点。模型加入L2-norm，每个batch需要计算所有参数的正则结果，计算量非常大，论文提出在batch内，只对出现过的特征做正则，减少计算量。另外还提出了一个新的激活函数，是PReLU的泛化，对效果有帮助。

模型

特征输入

数据通常大多是分组的类别形式，如下，会通过one-hot或者multi-hot转变成高维稀疏的二值特征输入。
[weekday=Friday, gender=Female,visited_cate_ids={Bag,Book}, ad_cate_id=Book],

第$i$个特征组编码后的向量表示为${\mathbf{t}}_i\in R^{K_i}$，$K_i$表示特征i编码后的向量维度，即特征$i$包含$K_i$个不同的id，${\mathbf{t}}_i[j]$表示向量第$j$维的值，${\mathbf{t}}_i[j]\in \{0,1\}$
${\sum }_{j=1}^{K_i}=k$，当用one-hot编码，$k=1$，当用multi-hot编码$k>1$.

输入是由各个特征组的向量拼接起来的，假设有$M$个特征组，则输入特征向量$\mathbf{x}=[{\mathbf{t}}_1,{\mathbf{t}}_2,...,{\mathbf{t}}_M]$，输入特征向量的维度为${\sum }_{i=1}^M{K}_i=K$

上面的特征编码示例如下：

论文用到的特征有4类，如下，列举了每个特征的维度及编码类型。没有用交叉特征，用DNN来提取。

模型结构

先看下base模型

Embedding层

Embedding层是将高维稀疏输入向量转换为低维稠密输入向量。对于第$i$个特征组的输入向量${\mathbf{t}}_i$，Embedding转换词典${\mathbf{W}}^i=[{\mathbf{w}}_1^i,{\mathbf{w}}_2^i,...,{\mathbf{w}}_{K_i}^i]\in R^{D\times K_i}$，${\mathbf{w}}_j^i$表示维度为$D$的Embedding向量。

若${\mathbf{t}}_i$是one-hot向量时，当${\mathbf{t}}_i[j]=1$,则第$i$个特征组的输入向量${\mathbf{t}}_i$的低维稠密向量表示${\mathbf{e}}_i={\mathbf{w}}_j^i$，是单个向量。

若${\mathbf{t}}_i$是multi-hot向量时，当${\mathbf{t}}_i[j]=1,j\in \{i_1,i_2,...,i_k\}$,则第$i$个特征组的输入向量${\mathbf{t}}_i$的低维稠密向量表示$\{{\mathbf{e}}_{i_1},{\mathbf{e}}_{i_2},...,{\mathbf{e}}_{i_k}\}=\{{\mathbf{w}}_{i_1}^i,{\mathbf{w}}_{i-1}^i,...,{\mathbf{w}}_{i_k}^i\}$，是一组向量。

Pooling及Concat层

MLP输入向量时固定长度的，但是像用户历史行为特征，序列长度不一致，需要处理成一个固定长度的向量，因此需要对multi-hot的稠密向量进行处理。通过sum/average pooling方式对一组向量进行处理，得到特征组$i$的最终低维稠密输入向量。
$${\mathbf{e}}_i=pooling({\mathbf{w}}_{i_1}^i,{\mathbf{w}}_{i-1}^i,...,{\mathbf{w}}_{i_k}^i)$$
然后所有的低维稠密输入向量进行拼接作为MLP的输入向量。

Loss

$$L=-\frac{1}{N}\sum _{(\mathbf{x},y)\in S}y\log p(\mathbf{x})+(1-y)\log (1-p(\mathbf{x}))$$
$p(\mathbf{x})$是网络最后softmax后的输出，$y\in \{0,1\}$表示label

DIN

base模型的缺陷：不论候选item是啥，用户的输入Embedding向量时一样的，没法表达用户的兴趣多样性。

DIN引入了一个局部激活单元，其他结构一样。

局部激活单元

这个单元用在用户历史行为特征上面。和base模型的差别是将pooling操作改为Attention操作，将原先的多个历史行为Embedding的sum或者max操作改为按照与候选item的相关性对各个Embedding进行加权和操作。

假设候选item的Embedding输入向量是${\mathbf{v}}_A$,用户历史行为特征最后的结果向量${\mathbf{v}}_U(A)$
$${\mathbf{v}}_U(A)=f({\mathbf{v}}_A,{\mathbf{e}}_1,{\mathbf{e}}_2,...,{\mathbf{e}}_H)=\sum _{j=1}^{H}attention({\mathbf{e}}_j,{\mathbf{v}}_A)=\sum _{j=1}^H{\mathbf{w}}_j{\mathbf{e}}_j$$

$\{{\mathbf{e}}_1,{\mathbf{e}}_2,...,{\mathbf{e}}_H\}$是用户历史行为的一组Embedding，长度为$H$

attention计算即局部激活单元，如下，用户向量和候选item向量计算out product（element-wise product），然后和用户向量、item向量拼接在一起，经过PRelu或者Dice激活函数，输入到一个单层网络，得到在给定item向量时用户向量的权重（相关性）结果。举例说明，如果用户历史序列有裙子，当候选是裙子时，裙子这个历史行为与当前候选item相关性高，计算得到的权重就大，那么最后用户历史行为特征Embedding结果中，裙子Embedding共享的就大（因为是各个历史行为的加权和${\sum }_{j=1}^H{\mathbf{w}}_j{\mathbf{e}}_j$）,其实就是Attention的核心思想。

Mini-batch Aware Regularization

提出原因：L2正则防止过拟合，但是每个batch里面都计算一次所有参数的正则，当参数量巨大时，会非常耗时。
通过仅计算batch内出现过的feature的正则，减少计算。Embedding词典$\mathbf{W}\in R^{D\times K}$参数最多，$\mathbf{W}$的$l_2$正则如下

指示函数$I({\mathbf{x}}_j\ne 0)$表示输入样本$\mathbf{x}$是否包含特征$j$,$n_j$表示特征$j$在所有样本出现的次数。在batch中，正则如下

让$a_{mj}=ma{x}_{(\mathbf{x},y)\in B_m}I({\mathbf{x}}_j)$表示batch $B_m$里面特征$j$至少出现过一次

这样参数更新如下

Dice激活函数

PReLU在值为0时有个突变点

改为连续的，激活函数依赖于batch内数据的分布，$ϵ=10^{-8}$是个常量，当均值和方差为0时，退化为PReLU。

对比如下：

评估指标

使用GAUC，原因：GAUC能消除不同用户的差别，活跃用户和非活跃用户差别很大，使用曝光或者点击进行消除，按照曝光或者点击的权重进行加权。

实验效果