NDCG、AUC介绍

SIGIR的一篇推荐算法论文中提到用NDCG和AUC作为比较效果的指标，之前没了解过这两个指标，便查找相关概念，整理如下。

一、NDCG

1.DCG

       首先，介绍一下DCG。DCG的全称是Discounted Cumulative Gain，它是衡量搜索引擎算法的一个指标。搜索引擎一般采用PI（per item）的方式进行评测，即逐条对搜索结果进行等级的打分。比如在Google搜索到一个词，得到5个结果。我们对这些结果进行3个等级的区分：Good、Fair、Bad，对应的分值分别是3、2、1。假设这5个结果的分值分别是3、1、2、3、2。

       使用DCG这个统计方法有两个前提：

       (1) 在搜索页面中，相关度越高的结果排在前面越好。

       (2) 在PI标注时，等级高的结果比等级低的结果好。

在一个搜索结果的list里面，假设有两个结果的评级都是Good，但是第一个排在第一位，第二个排在第40位，虽然等级是一样的，但排在40位的那个结果被用户看到的概率比较小，对整个页面的贡献也要比第一个结果小很多。所以第二个结果的得分应该有所减少。DCG的计算公式如下：

其中，就是第 i 个结果的得分。 

2. NDCG

       因为不同的搜索结果的数量很可能不相等，所以不同搜索的DCG值不能直接做对比。解决的方法是比较NDCG。NDCG的定义如下：

   IDCG（Ideal DCG），即理想的DCG。举上面的例子来说，5个搜索结果的分值是3、1、2、3、2，那么DCG = 3 + （1+1.26+1.5+0.86 ）=7.62。

       而IDCG下的分值排列顺序是3、3、2、2、1，所以IDCG=3 + （3+1.26+1+0.43）=8.69。

       所以，NDCG = DCG / IDCG = 0.88。

二、AUC

1. ROC曲线

       ROC分析的是二元分类模型，即输出结果只有两种类别的模型。ROC空间将伪阳性率（FPR，False Position Rate）定为X轴，真阳性率（TPR，True Position Rate）定为Y轴。

      TPR = TP / ( TP + FN)，表示在所有实际为阳性的样本中，被正确判断为阳性的比例。（TP：真阳性，FN：伪阴性）

       FPR = FP / ( FP + TN)，表示在所有实际为阴性的样本中，被正确判断为阴性的比例。（TN：真阴性，FP：伪阳性）

对于包含100个阳性和100个阴性的样本，以下是4个分类器的结果：

其中，ACC表示准确率。可以把这四个分类器映射成ROC空间中的一个点，如下图所示：

可以发现两个规律：(1) 越靠近左上角的点，准确率越高。(2) 如果点位于（0，0）和（1，1）的连线下方，那么一个有效的补救方法是把所有预测结果反向（即，如果输出结果为正类，则最终判定为负类；如果输出结果为负类，则判定为正类）。

       在同一个分类器内，设置不同的阈值则会产生不同的坐标，这些坐标连成的曲线叫做ROC曲线。

       当阈值被设定为最高时，所有的样本都被预测为阴性，所以FP=0，TP=0，此时的FPR = FP / （FP+TN）=0，TPR = TP / （TP+FN） =0。这是坐标为（0，0）。

       当阈值被设定为最低时，所有样本都被预测为阳性，同理可得：FPR=1，TPR=1，坐标为（1，1）。所以ROC曲线经过了（0，0）和（1，1）。

2. AUC

       ROC曲线示例如下：

  为了比较分类器的好坏，就将每个曲线下的面积作为比较，面积越大，则分类器效果越好。其中，这个面积就叫做AUC，全称是Area Under the roc Curve（ROC曲线下面积）。