推荐系统与深度学习（一）——FM模型原理

作者：livan

来源：数据python与算法

前言

简单的机器学习模型构建往往假设各个特征之间相互独立，并基于特征独立进行模型训练，例如：LR、SVM；

但是实际场景中特征往往存在相互关联的，比如：女性更喜欢化妆品类广告，男性更喜欢球类装备广告：

女性—化妆品，男性—球类设备

两者之间的关联性较高。

    因此，关联特征需要考虑引入到模型建设中。

    关联特征在one-hot变化中是按照笛卡尔积的形式呈现的，容易引发高维灾难，比如性别和品类的关联特征如下：

（男/球类）的向量为（女/球类，女/化妆品，男/球类，男/化妆品），one-hot之后为（0，0，1，0），维度指数型增加(4维变成8维)：

    为了解决关联特征导致的高维灾难问题，引入了FM模型。

FM模型推导

    FM模型从形式上可以看作是：线性模型+关联特征，即在线性模型的基础上，添加了高维关联特征：

    上面公式能看出，w_ij存在较高的稀疏性，需要找方法解决稀疏问题。

    为了计算w_ij，对每一个特征分量x_i找一个辅助向量v_i=(v_i1,v_i2,......,v_ik)，然后，利用v_iv_j^T对w_ij进行计算，汇总所有的特征可得如下v矩阵，每行为一个特征：

    则w_ij矩阵的计算为：

    这一思路的基本想法是：将关联之后的特征维度降到k维，计算某一个w_ij，然后汇总出w_ij矩阵：

问题来了，如何计算辅助向量v_i=(v_i1,v_i2,......,v_ik)？

    主要应用的方法为：

    上面关联特征的计算为：

通过上面的计算就能得到FM与辅助向量v_i,f的逻辑关系，然后通过梯度递减，即SGD进行数据运算：

最终得到FM的模型：

此时，模型不仅考虑了关联特征，同时解决稀疏问题，并将复杂度降低到与LR模型同一水平。

FM与SVM的比较

    SVM的二元特征交叉参数是独立的，而FM的二元特征交叉参数是两个k维的向量vi、vj，交叉参数就不是独立的，而是相互影响的。

    FM可以在原始形式下进行优化学习，而基于kernel的非线性SVM通常需要在对偶形式下进行

    FM的模型预测是与训练样本独立，而SVM则与部分训练样本有关，即支持向量

    线性SVM只有一维特征，不能挖掘深层次的组合特征在实际预测中并没有很好的表现；而多项式SVM正如前面提到的，交叉的多个特征需要在训练集上共现才能被学习到，否则该对应的参数就为0，这样对于测试集上的case而言这样的特征就失去了意义，因此在稀疏条件下，SVM表现并不能让人满意。而FM不一样，通过向量化的交叉，可以学习到不同特征之间的交互，进行提取到更深层次的抽象意义。

    笔者认为，算法的精神在于逻辑，代码倒是其次，本文只介绍原理，代码部分，可以自行到网上查询~

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