深度学习推荐系统-NFM

NFM

0.结论

• NFM是FM的神经网络化尝试
• NFM用神经网络代替FM中二阶隐向量交叉的操作，相比于FM，NFM的表达能力和特征交叉能力更强
• 局限性在于结构与PNN近似，特征工程层面的优化尝试几乎穷尽，模型进一步提升的空间非常小

1. 动机

NFM(Neural Factorization Machines)是2017年由新加坡国立大学的何向南教授等人在SIGIR会议上提出的一个模型，传统的FM模型仅局限于线性表达和二阶交互， 无法胜任生活中各种具有复杂结构和规律性的真实数据， 针对FM的这点不足， 作者提出了一种将FM融合进DNN的策略，通过引进了一个特征交叉池化层的结构，使得FM与DNN进行了完美衔接，这样就组合了FM的建模低阶特征交互能力和DNN学习高阶特征交互和非线性的能力，形成了深度学习时代的神经FM模型(NFM)。

那么NFM具体是怎么做的呢？ 首先看一下NFM的公式：

我们对比FM， 就会发现变化的是第三项，前两项还是原来的， 因为我们说FM的一个问题，就是只能到二阶交叉， 且是线性模型， 这是他本身的一个局限性， 而如果想突破这个局限性， 就需要从他的公式本身下点功夫， 于是乎，作者在这里改进的思路就是用一个表达能力更强的函数来替代原FM中二阶隐向量内积的部分。

image

而这个表达能力更强的函数呢， 我们很容易就可以想到神经网络来充当，因为神经网络理论上可以拟合任何复杂能力的函数， 所以作者真的就把这个换成了一个神经网络，当然不是一个简单的DNN， 而是依然底层考虑了交叉，然后高层使用的DNN网络， 这个也就是我们最终的NFM网络了：

image

这个结构，如果前面看过了PNN的伙伴会发现，这个结构和PNN非常像，只不过那里是一个product_layer， 而这里换成了Bi-Interaction Pooling了， 这个也是NFM的核心结构了。这里注意， 这个结构中，忽略了一阶部分，只可视化出来了， 我们还是下面从底层一点点的对这个网络进行剖析。

2. 模型结构与原理

2.1 Input 和Embedding层

输入层的特征为了方便，文章指定了稀疏离散特征（当然在实际场景的应用中，分为数值特征与分类特征）。Embedding层（在该模型中其实就是一个全连接层）将高维的稀疏特征转化为低维的密集特征表示。

2.2 Bi-Interaction Pooling layer

在Embedding层和神经网络之间加入了特征交叉池化层是本网络的核心创新了，正是因为这个结构，实现了FM与DNN的无缝连接， 组成了一个大的网络，且能够正常的反向传播。假设是所有特征embedding的集合， 那么在特征交叉池化层的操作：

表示两个向量的元素积操作，即两个向量对应维度相乘得到的元素积向量（可不是点乘呀），其中第维的操作：

这便定义了在embedding空间特征的二阶交互，这个不仔细看会和感觉FM的最后一项很像，但是不一样，一定要注意这个地方不是两个隐向量的内积，而是元素积，也就是这一个交叉完了之后k个维度不求和，最后会得到一个维向量，而FM那里内积的话最后得到一个数， 在进行两两Embedding元素积之后，对交叉特征向量取和， 得到该层的输出向量， 很显然， 输出是一个维的向量。

注意， 之前的FM到这里其实就完事了， 上面就是输出了，而这里很大的一点改进就是加入特征池化层之后， 把二阶交互的信息合并， 且上面接了一个DNN网络， 这样就能够增强FM的表达能力了， 因为FM只能到二阶， 而这里的DNN可以进行多阶且非线性，只要FM把二阶的学习好了， DNN这块学习来会更加容易， 作者在论文中也说明了这一点，且通过后面的实验证实了这个观点。

如果不加DNN， NFM就退化成了FM，所以改进的关键就在于加了一个这样的层，组合了一下二阶交叉的信息，然后又给了DNN进行高阶交叉的学习，成了一种“加强版”的FM。

Bi-Interaction层不需要额外的模型学习参数，更重要的是它在一个线性的时间内完成计算，和FM一致的，即时间复杂度为，为embedding向量的数量。

2.3 隐藏层

即由多个全连接层构成。不过在此之前，作者还采用了Dropout****和Batch Normalization，原因如下：

Dropout：是神经网络的正则化技术，为了防止过拟合；

Batch Normalization：该层是对输入的每个小批量（min-batch）标准化为零均值的单位方差的高斯分布（zero-mean unit-variance Gaussian distribution）。作者使用BN，是为了避免embedding向量的更新将输入层的分布更改为隐藏层或输出层；

2.4 预测层

通过逻辑回归将隐藏层的向量转变为最后预测的结果。
NFM相比较于其他模型的核心创新点是特征交叉池化层，基于它，实现了FM和DNN的无缝连接，使得DNN可以在底层就学习到包含更多信息的组合特征，这时候，就会减少DNN的很多负担，只需要很少的隐藏层就可以学习到高阶特征信息。NFM相比之前的DNN， 模型结构更浅，更简单，但是性能更好，训练和调参更容易。集合FM二阶交叉线性和DNN高阶交叉非线性的优势，非常适合处理稀疏数据的场景任务。在对NFM的真实训练过程中，也会用到像Dropout和BatchNormalization这样的技术来缓解过拟合和在过大的改变数据分布。

下面通过代码看下NFM的具体实现过程， 学习一些细节。

3. 代码实现

下面我们看下NFM的代码复现，这里主要是给大家说一下这个模型的设计逻辑，参考了deepctr的函数API的编程风格， 具体的代码以及示例大家可以去参考后面的GitHub，里面已经给出了详细的注释， 这里主要分析模型的逻辑这块。关于函数API的编程式风格，我们还给出了一份文档， 大家可以先看这个，再看后面的代码部分，会更加舒服些。下面开始：

这里主要说一下NFM模型的总体运行逻辑， 这样可以让大家从宏观的层面去把握模型的设计过程， 该模型所使用的数据集是criteo数据集，具体介绍参考后面的GitHub。 数据集的特征会分为dense特征(连续)和sparse特征(离散)， 所以模型的输入层接收这两种输入。但是我们这里把输入分成了linear input和dnn input两种情况，而每种情况都有可能包含上面这两种输入。因为我们后面的模型逻辑会分这两部分走，这里有个细节要注意，就是光看上面那个NFM模型的话，是没有看到它线性特征处理的那部分的，也就是FM的前半部分公式那里图里面是没有的。但是这里我们要加上。

所以模型的逻辑我们分成了两大部分，这里我分别给大家解释下每一块做了什么事情：

1. linear part: 这部分是有关于线性计算，也就是FM的前半部分的计算。对于这一块的计算，我们用了一个get_linear_logits函数实现，后面再说，总之通过这个函数，我们就可以实现上面这个公式的计算过程，得到linear的输出
2. dnn part: 这部分是后面交叉特征的那部分计算，FM的最后那部分公式f(x)。 这一块主要是针对离散的特征，首先过embedding， 然后过特征交叉池化层，这个计算我们用了get_bi_interaction_pooling_output函数实现， 得到输出之后又过了DNN网络，最后得到dnn的输出

模型的最后输出结果，就是把这两个部分的输出结果加和(当然也可以加权)，再过一个sigmoid得到。所以NFM的模型定义就出来了：

def NFM(linear_feature_columns, dnn_feature_columns):
    """
    搭建NFM模型，上面已经把所有组块都写好了，这里拼起来就好
    :param linear_feature_columns: A list. 里面的每个元素是namedtuple(元组的一种扩展类型，同时支持序号和属性名访问组件)类型，表示的是linear数据的特征封装版
    :param dnn_feature_columns: A list. 里面的每个元素是namedtuple(元组的一种扩展类型，同时支持序号和属性名访问组件)类型，表示的是DNN数据的特征封装版
    """
    # 构建输入层，即所有特征对应的Input()层， 这里使用字典的形式返回， 方便后续构建模型
    # 构建模型的输入层，模型的输入层不能是字典的形式，应该将字典的形式转换成列表的形式
    # 注意：这里实际的输入与Input()层的对应，是通过模型输入时候的字典数据的key与对应name的Input层
    dense_input_dict, sparse_input_dict = build_input_layers(linear_feature_columns+dnn_feature_columns)
    input_layers = list(dense_input_dict.values()) + list(sparse_input_dict.values())
    
    # 线性部分的计算 w1x1 + w2x2 + ..wnxn + b部分，dense特征和sparse两部分的计算结果组成，具体看上面细节
    linear_logits = get_linear_logits(dense_input_dict, sparse_input_dict, linear_feature_columns)
    
    # DNN部分的计算
    # 首先，在这里构建DNN部分的embedding层，之所以写在这里，是为了灵活的迁移到其他网络上，这里用字典的形式返回
    # embedding层用于构建FM交叉部分以及DNN的输入部分
    embedding_layers = build_embedding_layers(dnn_feature_columns, sparse_input_dict, is_linear=False)
    
    # 过特征交叉池化层
    pooling_output = get_bi_interaction_pooling_output(sparse_input_dict, dnn_feature_columns, embedding_layers)
    
    # 加个BatchNormalization
    pooling_output = BatchNormalization()(pooling_output)
    
    # dnn部分的计算
    dnn_logits = get_dnn_logits(pooling_output)
    
    # 线性部分和dnn部分的结果相加，最后再过个sigmoid
    output_logits = Add()([linear_logits, dnn_logits])
    output_layers = Activation("sigmoid")(output_logits)
    
    model = Model(inputs=input_layers, outputs=output_layers)
    
    return model

有了上面的解释，这个模型的宏观层面相信就很容易理解了。关于这每一块的细节，这里就不解释了，在我们给出的GitHub代码中，我们已经加了非常详细的注释，大家看那个应该很容易看明白， 为了方便大家的阅读，我们这里还给大家画了一个整体的模型架构图，帮助大家更好的了解每一块以及前向传播。

image

下面是一个通过keras画的模型结构图，为了更好的显示，数值特征和类别特征都只是选择了一小部分，画图的代码也在github中。

nfm

4. 思考题

1. NFM中的特征交叉与FM中的特征交叉有何异同，分别从原理和代码实现上进行对比分析
   答：
   从原理上来看:
   NFM则是将FM的二次交叉后的向量作为DNN的输入,即引入了非线性变换来提升模型非线性表达能力，又学习到高阶的组合特征。

从代码上来看

• 采用特征pooling的方式代替DeepFM中二阶特征向量横向连接操作，得到的结果向量由n*k维优化为k维，大大减少训练参数数目。（n为特征域个数，k为embedding向量维度）
• 采用sum pooling的方式综合二阶特征信息，可能会有信息损失

FM layer样例：

class FM_Layer(Layer):
    def __init__(self):
        super(FM_Layer, self).__init__()

    def call(self, inputs):
        # 优化后的公式为： 0.5 * 求和（和的平方-平方的和）  =>> B x 1
        concated_embeds_value = inputs # B x n x k

        square_of_sum = tf.square(tf.reduce_sum(concated_embeds_value, axis=1, keepdims=True)) # B x 1 x k
        sum_of_square = tf.reduce_sum(concated_embeds_value * concated_embeds_value, axis=1, keepdims=True) # B x1 xk
        cross_term = square_of_sum - sum_of_square # B x 1 x k
        cross_term = 0.5 * tf.reduce_sum(cross_term, axis=2, keepdims=False) # B x 1

        return cross_term

    def compute_output_shape(self, input_shape):
        return (None, 1)

NFM Bi-Interaction Layer样例

class BiInteractionPooling(Layer):
    def __init__(self):
        super(BiInteractionPooling, self).__init__()

    def call(self, inputs):
        # 优化后的公式为： 0.5 * （和的平方-平方的和）  =>> B x k
        concated_embeds_value = inputs # B x n x k

        square_of_sum = tf.square(tf.reduce_sum(concated_embeds_value, axis=1, keepdims=False)) # B x k
        sum_of_square = tf.reduce_sum(concated_embeds_value * concated_embeds_value, axis=1, keepdims=False) # B x k
        cross_term = 0.5 * (square_of_sum - sum_of_square) # B x k

        return cross_term

    def compute_output_shape(self, input_shape):
        return (None, input_shape[2])

5. 参考资料

• 论文原文

• deepctr

• AI上推荐 之 FNN、DeepFM与NFM(FM在深度学习中的身影重现)

• 王喆 - 《深度学习推荐系统》