推荐系统，第 1 部分: 方法和算法简介

问题导读:
1.推荐系统的常用算法有什么？
2.协作过滤使用的相似性和区别是什么？
3.推荐系统面临哪些挑战？





大多数大规模的商业和社交网站都会向用户推荐选项，比如产品或要联系的人。推荐引擎对大量数据进行分类，以识别潜在的用户偏好。本文是一个两部分系列文章的第一部分，解释了推荐系统背后的理念并介绍支持它们的算法。第 2 部分 将介绍您可应用的一些开源推荐引擎。

推荐系统改变了没有活力的网站与其用户通信的方式。无需提供一种静态体验，让用户搜索并可能购买产品，推荐系统加强了交互，以提供内容更丰富的体验。推荐系统根据用户过去的购买和搜索历史，以及其他用户的行为，自主地为各个用户识别推荐内容。本文介绍推荐系统及其所实现的算法。在 第 2 部分中，将介绍构建一个推荐功能的开源选项。


基本方法
大多数推荐系统都采用两种基本方法之一：协作式过滤或基于内容的过滤。当然也有其他的方法（比如混合方法）。

协作式过滤
协作式过滤 根据以前用户行为的模型来获得推荐内容。可通过单个用户的行为单独构造该模型，或者 — 更有效的方法是 — 根据其他拥有类似特征的用户的行为来构造该模型。考虑其他用户的行为时，协作式过滤使用群组知

识并基于类似用户来形成推荐内容。在本质上，推荐内容基于多个用户的自动协作，并过滤出表现了类似偏好或行为的用户。
例如，假设您正在构建一个网站来推荐博客。通过使用许多订阅并阅读博客的用户的信息，您可根据这些用户的偏好将他们分组。例如，您可将阅读多篇相同博客的用户分组到一起。有了此信息，您可识别该群组阅读了哪些最

流行的博客。然后 — 对于群组中的一个特定用户 — 您推荐他或她未阅读也未订阅的最流行博客。
在图 1 中的表中，一组博客构成了行内容，而列定义了用户。博客行和用户列相交的单元包含该博客的该用户所阅读的文章数量。通过根据用户的阅读习惯来为用户划分集群（比如使用一个 nearest-neighbor 算法），您可看到两个分别包含两个用户的集群。注意每个集群的成员的阅读习惯的相似性：Marc 和 Elise（他们都阅读了多篇关于 Linux® 和云计算的文章）形成 Cluster 1。Cluster 2 中包含 Megan 和 Jill，他们都阅读了多篇关于 Java™ 和敏捷性的文章。

图 1. 协作式过滤的简单示例


现在您可识别每个集群中的一些区别并进行有意义的推荐。在 Cluster 1 中，Marc 阅读了 10 篇开源博客文章，Elise 一篇都没读；Elise 阅读了 1 篇敏捷性博客，Marc 一篇都没读。然后在 图 1 中，针对 Elise 的一个推

荐内容是开源博客。无法对 Marc 进行推荐，因为他和 Elise 在敏捷博客阅读方面的细微区别可能被过滤掉了。在 Cluster 2 中，Jill 阅读了 3 篇开源博客，而 Megan 一篇都没读；Megan 阅读了 11 篇 Linux 博客，而 Jill 一篇都没读。然后 Cluster 2 给出了两个推荐内容：为 Jill 推荐 Linux 博客和为 Megan 推荐开源博客。
查看这些关系的另一种方式是基于他们的相似性和区别，如图 2 中的维恩图所示。相似性（基于所用的特定算法）定义了如何将拥有类似兴趣的用户分组到一起。区别是可用于推荐内容的机会 — 例如通过一个流行度过滤器来应用。


图 2. 协作式过滤中使用的相似性和区别


尽管图 2 是一种简化的结果（而且由于仅使用了两个示例的很少数据），但它是一种很方便的表示形式。

基于内容的过滤
基于内容的过滤 可根据用户的行为来构造推荐内容。例如，此方法可能使用历史浏览信息，比如用户阅读了哪些博客和这些博客的特征。如果用户经常阅读关于 Linux 的文章或可能在有关软件工程的博客中留下了评论，基于

内容的过滤可使用此历史信息来识别和推荐类似的内容（有关 Linux 的文章或有关软件工程的其他博客）。可手动定义此内容，或者根据其他类似性方法来自动提取此内容。
返回到 图 1，重点看看用户 Elise。如果您使用一个博客排名，指定阅读 Linux 文章的用户可能还喜欢阅读开源和云计算文章，您可轻松地进行推荐 — 根据他当前的阅读习惯 — Elise 阅读开源文章。此方法（如图 3 中所

示）仅依赖于一个用户访问的内容，而不依赖于系统中其他用户的行为。
图 3. 基于内容的过滤中使用带排名的区别

图 2 中的维恩图在这里也适用：如果一端是用户 Elise，另一端是一组带排名的类似博客，那么会忽略相似性（因为 Elise 已阅读这些博客），而且带排名的区别是进行推荐的机会。
混合方法
混合 方法将协作式过滤和基于内容的过滤相结合，它可增加推荐系统的效率（和复杂性）。一个混合系统的简单示例可能是使用 图 1 和 图 3 中所示的方法。将基于内容的过滤和协作式过滤的结果合并在一起，就有可能实现

更准确的推荐内容。混合方法也可用于解决从稀疏数据开始的协作式过滤问题 — 称为 冷启动— 方法是支持先对基于内容的过滤结果分配权重，然后随着可用用户数据集的成熟而将该权重转变为协作式过滤。

推荐系统使用的算法
如赢得 Netflix 奖 的方法所演示的，有许多算法方法可用于推荐引擎。根据算法的设计宗旨是要解决什么问题还是数据中存在的关系，结果可能不同。许多算法来自机器学习领域，这是人工智能的一个子领域，可生成用于学习、预测和决策制定的算法。


皮尔逊相关
两个用户（和他们的属性，比如从一组博客中阅读哪些文章）之间的相似性可使用 皮尔逊相关 来准确计算。此算法度量两个变量（或用户）之间的线性依赖关系，以此作为其属性的函数。但它不会对整个用户群计算此度量结

果。相反，必须根据更高级的类似性指标（比如阅读类似的博客）将人群过滤为 近邻 (neighborhoods)。
皮尔逊相关（已广泛用于研究中）是一个用于协作式过滤的流行算法。

集群算法
集群算法 是一种无人监督的学习形式，可找到一组看似随机（或无关的）数据中的结构。一般而言，它们识别各项（比如博客读者）之间的相似性，计算他们在一个 特征空间 中与其他项目的距离。（一个特征空间中的特征可

表示在一组博客中阅读的文章数量。）独立特征的数量定义了空间的维度。如果一些项目 “很靠近”，那么可将它们加入到一个集群中。
目前有许多集群算法。最简单的一个是 k-means，它将各个项目分区到 k 个集群中。最初，各项随机放置到集群中。然后，为每个集群计算一个 重心（或 中心）作为集群成员的函数。然后检查每一项与重心之间的距离。如果

发现一项更靠近另一个集群，会将它移到该集群。每次检查所有项目的距离时都会重新计算重心。达到稳定状态后（也就是在一次迭代期间没有项目移动时），这组项目就已正确集群化，算法结束工作。
可能很难形象地表述对两个对象之间的距离进行计算。一种常见方法是将每一项视为一个多维矢量，使用欧几里德算法计算距离。
其他集群变体包括 Adaptive Resonance Theory (ART) 系列、Fuzzy C-means 和 Expectation-Maximization（概率集群）等。

其他算法
许多算法 — 以及这些算法的更多变体 — 可用于推荐引擎。一些已被人们成功使用的算法包括：
Bayesian Belief Nets，能够可视化为一个定向非循环图，其中的弧线表示变量之间关联的概率。
Markov chains，它采用一种与 Bayesian Belief Nets 类似的方法，但将推荐问题视为顺序优化，而不是简单的预测。
Rocchio classification（使用 Vector Space Model 开发），它利用项目相关性的反馈来提高推荐的准确性。

推荐系统面临的挑战
Web 所带来的数据收集机会，使利用 “集体智慧”（和协作式过滤）变得更加简单。但大量可用的数据也使这一机会变得更加复杂。例如，尽管可以对一些用户的行为建模，但其他用户没有表现出典型行为。这些用户可能让推

荐系统的结果失真并降低其效率。而且，用户可利用推荐系统来选择一个产品并放弃另一个产品 — 例如根据对一个产品的积极反馈和对竞争产品的消极反馈。一个好的推荐系统必须能管理这些问题。
大规模推荐系统中特有的一个问题是可伸缩性。传统算法比较适合较小的数据量，但在数据集增长时，传统算法可能难以处理。尽管这对于离线处理而言可能不是问题，但在实时场景中需要更加专业的方法。
最后，隐私保护考虑因素也是一大挑战。推荐算法可识别个人可能不知道的已有模式。一个最新的示例是，大型公司可根据购买习惯来计算怀孕预测分数。通过使用有针对性的广告，父亲会惊奇地发现他十几岁的女儿怀孕了。

该公司的预测程序很准确，它可根据一位准妈妈购买的产品来预测她的预产期。

结束语
推荐引擎现在为大多数流行的社交和商业网站提供着支持。它们为站点所有者及其用户提供了巨大的价值，但也有一些缺点。本文探索了推荐系统背后的一些理念和支撑它们的算法。本系列的 第 2 部分 介绍了在构建推荐功能时可用的开源选项。
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推荐系统，第 2 部分: 开源引擎简介
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很不错的