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电影推荐系统

1. 问题介绍

使用矩阵分解, 根据用户给短电影的评分数据, 做一个千人千面的个性化推荐系统。

需要安装推荐系统库surprise, 使用如下命令安装: pip install scikit-surprise

1.1推荐系统矩阵分解方法介绍

1.2 数据集：ml-100k

该数据集包括了943位用户对1682部电影的评分信息（总共100,000），评分也是1-5的整数;

• u.data文件包含了100,000条评分信息，每条记录的形式：user id | item id | rating | timestamp.（分隔符是一个tab）

2. 推荐系统实现

2.1 定义矩阵分解函数

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# 导入 nunpy 和 surprise 辅助库
import numpy as np
import surprise  

注： Surprise库本身没有提供纯粹的矩阵分解的算法, 在这里我们自己实现了基于Alternating Least Squares的矩阵分解, 使用梯度下降法优化；
矩阵分解类MatrixFactorization继承了surprise.AlgoBase, 方便我们使用surpise库提供的其它功能

class MatrixFactorization(surprise.AlgoBase):'''基于矩阵分解的推荐.'''def __init__(self, learning_rate, n_epochs, n_factors, lmd):self.lr = learning_rate  # 梯度下降法的学习率self.n_epochs = n_epochs  # 梯度下降法的迭代次数self.n_factors = n_factors  # 分解的矩阵的秩(rank)self.lmd = lmd # 防止过拟合的正则化的强度def fit(self, trainset):'''通过梯度下降法训练, 得到所有 u_i 和 p_j 的值'''print('Fitting data with SGD...')# 随机初始化 user 和 item 矩阵.u = np.random.normal(0, .1, (trainset.n_users, self.n_factors))p = np.random.normal(0, .1, (trainset.n_items, self.n_factors))# 梯度下降法for _ in range(self.n_epochs):for i, j, r_ij in trainset.all_ratings():err = r_ij - np.dot(u[i], p[j])# 利用梯度调整 u_i 和 p_ju[i] -= -self.lr * err * p[j] + self.lr * self.lmd * u[i]p[j] -= -self.lr * err * u[i] + self.lr * self.lmd * p[j]# 注意: 修正 p_j 时, 按照严格定义, 我们应该使用 u_i 修正之前的值, 但是实际上差别微乎其微self.u, self.p = u, pself.trainset = trainsetdef estimate(self, i, j):'''预测 user i 对 item j 的评分.'''# 如果用户 i 和物品 j 是已知的值, 返回 u_i 和 p_j 的点积# 否则使用全局平均评分rating值(cold start 冷启动问题)if self.trainset.knows_user(i) and self.trainset.knows_item(j):return np.dot(self.u[i], self.p[j])else:return self.trainset.global_mean

2.2 基于上述矩阵分解实现电影推荐

from surprise import BaselineOnly
from surprise import Dataset
from surprise import Reader
from surprise import accuracy
from surprise.model_selection import cross_validate
from surprise.model_selection import train_test_split
import os# 数据文件
file_path = os.path.expanduser('./ml-100k/u.data')
# - u.data文件包含了100,000条评分信息，每条记录的形式：user id | item id | rating | timestamp.（分隔符是一个tab）
# 数据文件的格式如下:
# 'user item rating timestamp', 使用制表符 '\t' 分割, rating值在1-5之间.
reader = Reader(line_format='user item rating timestamp', sep='\t', rating_scale=(1, 5))
data = Dataset.load_from_file(file_path, reader=reader)

# 查看文件内容
import pandas as pd
df = pd.read_csv("./ml-100k/u.data")
df.head()

	196\t242\t3\t881250949
0	186\t302\t3\t891717742
1	22\t377\t1\t878887116
2	244\t51\t2\t880606923
3	166\t346\t1\t886397596
4	298\t474\t4\t884182806

df.shape

(99999, 1)

默认的SGD方法

# 将数据随机分为训练和测试数据集
trainset, testset = train_test_split(data, test_size=.25)# 初始化以上定义的矩阵分解类.
algo = MatrixFactorization(learning_rate=.005, n_epochs=60, n_factors=2, lmd = 0.2)# 训练
algo.fit(trainset)# 预测
predictions = algo.test(testset)# 计算平均绝对误差
accuracy.mae(predictions)

Fitting data with SGD...
MAE:  0.7818
0.7817791289983778

用 surpise 内建的基于最近邻的方法做比较

# 使用 surpise 内建的基于最近邻的方法做比较
algo = surprise.KNNBasic()
algo.fit(trainset)
predictions = algo.test(testset)
accuracy.mae(predictions)

Computing the msd similarity matrix...
Done computing similarity matrix.
MAE:  0.7725
0.7724598550399949

用 surpise 内建的基于 SVD 的方法做比较

# 使用 surpise 内建的基于 SVD 的方法做比较
algo = surprise.SVD()
algo.fit(trainset)
predictions = algo.test(testset)
accuracy.mae(predictions)

MAE:  0.7398
0.7397586022054631

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