基于協(xié)同表示學(xué)習(xí)的個(gè)性化新聞推薦

梁仕威，張晨蕊，曹 雷，程軍軍，許洪波，程學(xué)旗

(1. 中國(guó)科學(xué)院 計(jì)算技術(shù)研究所 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100190；3. 中國(guó)信息安全測(cè)評(píng)中心，北京 100085)

0 引言

信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，深刻地影響了當(dāng)今人們獲取資訊的方式。人們的新聞消費(fèi)模式已經(jīng)從傳統(tǒng)的訂閱報(bào)紙，轉(zhuǎn)變成了通過互聯(lián)網(wǎng)訪問海量的新聞資訊。互聯(lián)網(wǎng)不僅加速了人們的新聞消費(fèi)速度，也開拓了消費(fèi)的渠道，與此同時(shí)也帶來了信息過載問題。推薦系統(tǒng)是解決信息過載問題的有效方法之一，因此,新聞推薦系統(tǒng)也吸引了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界越來越多的關(guān)注。

迄今為止，研究人員已經(jīng)提出了很多用于個(gè)性化推薦領(lǐng)域的算法和模型，其中，協(xié)同過濾算法是最有效和應(yīng)用最廣泛的個(gè)性化推薦方法，而基于矩陣分解[1-2]的協(xié)同過濾算法在Netflix大賽中表現(xiàn)出了巨大的潛力，吸引了眾多研究人員的關(guān)注。對(duì)于上述方法，歷史行為數(shù)據(jù)對(duì)于學(xué)習(xí)用戶和物品的潛在因子向量是至關(guān)重要的。但是在很多場(chǎng)景下，行為數(shù)據(jù)是無法獲取或者非常稀疏的，比如在新聞推薦中，一篇新發(fā)布的新聞，通常沒有或者只有很少的用戶點(diǎn)擊記錄，這就促使我們?cè)谕扑]中考慮新聞的內(nèi)容信息。本文中，我們以新聞推薦作為場(chǎng)景，研究融合文本語義信息的個(gè)性化推薦模型。

為了理解文本內(nèi)容信息從而做出更好的推薦，一個(gè)好的基于文本語義信息的表示方式是基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的基于內(nèi)容的推薦方法[3]通常只對(duì)文本信息做了簡(jiǎn)單的處理，使用詞袋模型做文檔的表示。一方面，基于詞袋模型的表示方式具有特征稀疏和詞匯鴻溝的缺點(diǎn)，無法編碼詞之間的相似性，在很多NLP任務(wù)上的表現(xiàn)不如近年提出的文本表示學(xué)習(xí)模型[4-6]。另一方面，用戶興趣的建模受到物品表示方式的影響，如果基于詞袋模型做文本的表示，那么用戶的興趣也通常表示成詞的組合，這些詞可以由用戶事先指定或者根據(jù)某種人工規(guī)則從用戶的行為歷史中提取。然而先對(duì)物品建模，再對(duì)用戶建模的兩階段建模方式中由于存在人工規(guī)則使得模型的調(diào)優(yōu)變得極為困難，而且也難以捕捉用戶和物品內(nèi)容間的潛在關(guān)系。

我們通過融合文本的表示學(xué)習(xí)模型和個(gè)性化推薦方法來解決上述問題。我們?cè)诨诰仃嚪纸獾膮f(xié)同過濾模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，提出一種將用戶—新聞交互矩陣結(jié)合文檔與詞的語義關(guān)系進(jìn)行聯(lián)合表示學(xué)習(xí)的推薦模型，給用戶與新聞的表示向量加入語義信息，從而能更好地發(fā)掘用戶與新聞話題的內(nèi)在相關(guān)性。由于用戶和文檔被映射到同樣的潛在空間，用戶對(duì)一篇文檔的偏好可以通過用戶的表示向量和文檔的表示向量的點(diǎn)積來計(jì)算。在一個(gè)真實(shí)的新聞點(diǎn)擊數(shù)據(jù)集上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了我們提出的模型的有效性。

1 相關(guān)研究

1.1 個(gè)性化推薦

現(xiàn)有的個(gè)性化推薦算法可以分為基于內(nèi)容過濾的推薦、協(xié)同過濾推薦和混合推薦三大類。

基于內(nèi)容過濾的推薦方法[3]背后的基本思想是: 用戶可能會(huì)喜歡那些跟他以前做出過正面評(píng)價(jià)的物品相似的物品。直接的做法就是給用戶推薦具有他喜歡的屬性的物品。比如一個(gè)用戶經(jīng)常看科幻小說，那么基于內(nèi)容過濾的推薦系統(tǒng)就可能會(huì)給這個(gè)用戶推薦《三體》這部作品。基于內(nèi)容過濾的推薦能解決數(shù)據(jù)稀疏性和項(xiàng)目冷啟動(dòng)問題，但由于過度強(qiáng)調(diào)物品屬性的相似性，容易導(dǎo)致推薦結(jié)果的新穎性不足。

協(xié)同過濾推薦方法[7]背后的基本思想是: 用戶可能會(huì)對(duì)具有相似興趣的其他用戶做出過積極評(píng)價(jià)的物品感興趣。與基于內(nèi)容的推薦方法不同，協(xié)同過濾是一種領(lǐng)域無關(guān)的推薦方法，除了用戶對(duì)物品的評(píng)分信息外，協(xié)同過濾不需要任何的物品描述信息。這種方法模擬了生活中人與人之間通過“口碑”互相推薦的行為，依賴于人與人之間的信賴關(guān)系。矩陣分解(Matrix Factorization, MF)[2]是最有效的協(xié)同過濾方法之一。協(xié)同過濾算法具有較高的推薦精度，但由于依賴用戶對(duì)物品的歷史行為，所以不能對(duì)新的物品做推薦，面臨嚴(yán)重的冷啟動(dòng)問題，難以應(yīng)用于新聞推薦場(chǎng)景中。

為了克服基于內(nèi)容過濾和協(xié)同過濾各自的限制，研究人員提出了將內(nèi)容和歷史行為數(shù)據(jù)相結(jié)合的混合推薦方法[8-10]，這也是在現(xiàn)代推薦系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的方法。引入內(nèi)容過濾能在一定程度上緩解冷啟動(dòng)問題的影響。本文提出的模型也是一種混合方法，在推薦中結(jié)合了新聞內(nèi)容信息。

新聞是最早使用推薦系統(tǒng)的領(lǐng)域之一，新聞推薦系統(tǒng)通過分析用戶的瀏覽、點(diǎn)擊、評(píng)論等行為，發(fā)掘用戶的閱讀興趣，給不同的用戶展現(xiàn)不同的個(gè)性化新聞列表，來提高新聞網(wǎng)站或者新聞App的點(diǎn)擊率和轉(zhuǎn)化率。早期的新聞推薦系統(tǒng)通過用戶自動(dòng)選擇喜歡的新聞?lì)愋涂梢詾橛脩籼峁┮欢ǔ潭鹊膫€(gè)性化服務(wù)，但這會(huì)給用戶帶來額外的負(fù)擔(dān)，也不能隨著用戶的使用過程自動(dòng)發(fā)掘用戶的潛在喜好動(dòng)態(tài)調(diào)整推薦的新聞[11]。Google News在文獻(xiàn)[12]中將協(xié)同過濾算法應(yīng)用到了新聞推薦中，由于協(xié)同過濾算法的固有缺點(diǎn)，Google News又提出了結(jié)合用戶的點(diǎn)擊行為做內(nèi)容過濾的方法[13]，但這種方法和后來提出來的SCENE新聞推薦系統(tǒng)[14]都是采用先對(duì)新聞建模再對(duì)用戶建模的兩階段式的建模方式，不能很好地捕捉用戶的閱讀偏好和新聞內(nèi)容間的潛在關(guān)系。

1.2 相關(guān)模型

1.2.1 矩陣分解

MF是常用的協(xié)同過濾算法之一，通過使用機(jī)器學(xué)習(xí)的方式訓(xùn)練一個(gè)統(tǒng)計(jì)模型用于推薦。具體來說，MF將高度稀疏的用戶—物品評(píng)分矩陣降維成潛在因素的子空間，從而捕捉用戶和物品的潛在屬性。為了使得訓(xùn)練更加高效，潛在子空間的維度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于用戶和物品的數(shù)量。一般地，給定包含m個(gè)用戶和n個(gè)物品的用戶-物品評(píng)分矩陣R∈m×n，MF將其分解為R≈PTQ，其中P∈d×m是用戶潛在因子矩陣，Q∈d×n是物品潛在因子矩陣，d是潛在因子的維度。用戶u對(duì)物品i的預(yù)測(cè)評(píng)分為

新聞作為一種快速消費(fèi)的資訊，大多數(shù)用戶不愿意在閱讀完一篇新聞后花費(fèi)時(shí)間顯式給出對(duì)該新聞的評(píng)分，推薦系統(tǒng)通常只能收集到用戶對(duì)新聞的隱性反饋數(shù)據(jù)，即點(diǎn)擊或者不點(diǎn)擊，所以用戶i對(duì)新聞j的隱性評(píng)分rij∈{1,0}，因此本文中我們只關(guān)注用戶的隱性反饋，將新聞推薦看作一個(gè)二分類問題。文獻(xiàn)[15]中提出了用于二分類的Logistic MF模型，和MF模型的主要區(qū)別是增加了Sigmoid函數(shù)將預(yù)測(cè)評(píng)分轉(zhuǎn)換成點(diǎn)擊概率，如式(1)所示。

(1)

其中,σ(x)=1/(1+exp(-x))。Logistic MF模型的對(duì)數(shù)似然函數(shù)，如式(2)所示。

(2)

1.2.2 文本嵌入技術(shù)

文本嵌入技術(shù)指將文本映射到一個(gè)潛在空間，使用一定維度的向量來表示，這些向量可以被應(yīng)用到后續(xù)的NLP任務(wù)中。Le和Mikolov等[5]提出了句子/文檔的向量學(xué)習(xí)模型PV-DBOW，該模型直接用句子/文檔向量預(yù)測(cè)從句子/文檔中隨機(jī)抽取出來的詞，從而同時(shí)學(xué)習(xí)到詞和句子/文檔的表示向量。PV-DBOW模型的優(yōu)化目標(biāo)為最大化如下對(duì)數(shù)似然函數(shù)，如式(3)所示。

(3)

其中,D為語料集，d代表一個(gè)句子或一篇文檔，wi為從d中選取的詞。

2 我們的方法

2.1 符號(hào)說明

在提出我們的模型之前，先列舉我們?cè)诤竺鏁?huì)用到的符號(hào)。我們用U={u1,u2,…,um}表示用戶集合，用D={d1,d2,…,dn}表示新聞?wù)Z料集合，用W={w1,w2,…,wv}表示由v個(gè)詞組成的詞表。用戶與新聞的交互矩陣用R∈m×n表示，第i行，第j列的元素rij=1表示用戶i點(diǎn)擊了新聞j，rij=0則表示沒有點(diǎn)擊。dj∈ui表示用戶i與新聞j有交互行為，wa∈dj表示詞a出現(xiàn)在新聞j中。每一個(gè)用戶u∈U，每一篇新聞d∈D和每一個(gè)詞w∈W，都分別與一個(gè)表示向量關(guān)聯(lián):K和K，其中K為表示向量的維度。這些表示向量是需要學(xué)習(xí)的模型參數(shù)。

2.2 模型描述

用戶對(duì)新聞的內(nèi)容其實(shí)是有很強(qiáng)的偏好性的，比如有些人喜歡軍事新聞，有些人喜歡娛樂新聞，有些人喜歡體育新聞，但是Logistic MF模型只基于用戶對(duì)新聞的點(diǎn)擊矩陣做分解，沒有考慮新聞內(nèi)容、類別等包含的豐富的語義信息，也就沒有捕捉到用戶對(duì)新聞內(nèi)容的偏好。基于Logistic MF模型的這個(gè)不足之處，我們考慮新聞和詞的關(guān)系，提出將點(diǎn)擊矩陣的分解和文檔與詞的嵌入表示聯(lián)合學(xué)習(xí)的模型，從而能同時(shí)捕捉用戶的興趣和新聞的語義信息。模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中l(wèi)j為新聞j包含的詞語數(shù)量。

圖1 CJE模型結(jié)構(gòu)圖

在這個(gè)模型中，Logistic MF部分對(duì)用戶—新聞交互矩陣做分解，以監(jiān)督學(xué)習(xí)的方式學(xué)習(xí)用戶和新聞的潛在表示，捕捉用戶對(duì)新聞的偏好。D&W Embedding部分類似于PV-DBOW模型，預(yù)測(cè)新聞內(nèi)部出現(xiàn)的詞，以無監(jiān)督的方式學(xué)習(xí)詞和文檔的嵌入表示，捕捉內(nèi)容的語義信息。而文檔的表示由模型的兩部分共享，從而將語義信息傳遞到了用戶的表示中，使得模型能捕捉到用戶對(duì)新聞內(nèi)容信息的偏好。我們把這個(gè)模型叫做協(xié)同表示學(xué)習(xí)(Collaborative Joint Embedding, CJE)模型。形式化地，CJE模型的目標(biāo)函數(shù)為兩部分的對(duì)數(shù)似然函數(shù)之和，如式(4)所示。

(4)

其中,β是超參，用于平衡模型中的用戶偏好和語義兩部分對(duì)似然函數(shù)的作用，當(dāng)β=0時(shí)退化為L(zhǎng)ogistic MF模型，β越大，語義部分對(duì)似然函數(shù)的影響越大。xja為詞a在文檔j里的TF-IDF權(quán)重，加入TF-IDF權(quán)重是為了加強(qiáng)文檔內(nèi)的關(guān)鍵詞對(duì)文檔表示向量的影響。對(duì)于D&W Embedding部分，我們使用softmax函數(shù)定義的概率函數(shù)p(wa|dj)，如式(5)所示。

(5)

CJE模型能同時(shí)學(xué)習(xí)到新聞和用戶的表示向量，以及作為副產(chǎn)品的詞向量。用戶對(duì)一篇新聞的喜好程度可以通過對(duì)應(yīng)的用戶向量和新聞向量的點(diǎn)積值來衡量，類似于Logistic MF，通過Sigmoid函數(shù)將其轉(zhuǎn)換為點(diǎn)擊概率，如式(6)所示。

(6)

其中σ(x)=1/(1+exp(-x))。

2.3 模型學(xué)習(xí)

訓(xùn)練模型時(shí)，由于直接計(jì)算式(5)中的概率函數(shù)代價(jià)太大，我們采用了負(fù)采樣技術(shù)[4]進(jìn)行更高效的訓(xùn)練。基于負(fù)采樣技術(shù)的訓(xùn)練目標(biāo)函數(shù)，如式(7)所示。

(7)

CJE模型需要用到兩種類型的數(shù)據(jù)，一種是用戶與新聞的交互數(shù)據(jù)，另一種是新聞的內(nèi)容數(shù)據(jù)。用戶向量和詞向量的訓(xùn)練都只與一種類型的數(shù)據(jù)相關(guān)，而新聞向量的更新與這兩種類型的數(shù)據(jù)都相關(guān)，在訓(xùn)練過程中我們交替使用這兩種類型的數(shù)據(jù)更新新聞向量，直到收斂。

3 實(shí)驗(yàn)

在本節(jié)中，我們首先對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)置進(jìn)行說明，包括使用的數(shù)據(jù)集、評(píng)價(jià)指標(biāo)和baseline模型，然后探究CJE模型中的平衡因子β對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，最后對(duì)比我們提出的模型和baseline模型在數(shù)據(jù)集上的表現(xiàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

我們使用的數(shù)據(jù)集來源于2014年CCF主辦的第二屆中國(guó)大數(shù)據(jù)技術(shù)創(chuàng)新大賽[注]大賽官網(wǎng) https: //bigdatacontest.ccf.org.cn。該數(shù)據(jù)集隨機(jī)選取了財(cái)新網(wǎng)的10 000名用戶，并抽取了這些用戶在2014年3月份的新聞點(diǎn)擊記錄，數(shù)據(jù)集包含新聞的標(biāo)題和內(nèi)容。我們對(duì)數(shù)據(jù)集做了過濾，去除了少于5次點(diǎn)擊與多于500次點(diǎn)擊的用戶，以及內(nèi)容少于10個(gè)字的新聞，最終得到含有9 213名用戶與5 666篇新聞的數(shù)據(jù)集。對(duì)于數(shù)據(jù)集里的新聞，我們不區(qū)分標(biāo)題和正文，將標(biāo)題和正文連接起來，采用基于Python語言的Jieba分詞工具對(duì)新聞分詞，并去除停用詞與低頻詞。

我們采用離線的、基于排序的指標(biāo)評(píng)價(jià)本文提出的方法: Precision@K，Recall@K和MAP(Mean Average Precision)。給用戶推薦一個(gè)新聞列表，用戶點(diǎn)擊的新聞越靠前，則表明推薦效果越好，上述指標(biāo)也就越高。

假設(shè)我們給用戶推薦一個(gè)包含K篇新聞的列表，按預(yù)測(cè)分?jǐn)?shù)從高到低排序；該用戶在測(cè)試集里總計(jì)點(diǎn)擊了n篇新聞；rel(·)是一個(gè)指示函數(shù)，如果用戶點(diǎn)擊了列表里的第i篇新聞，則rel(i)=1，否則rel(i)=0。那么對(duì)于單個(gè)用戶的Precision和Recall的K截?cái)嘤?jì)算如式(11)、式(12)所示。

整個(gè)系統(tǒng)的Precision@K和Recall@K為所有用戶的平均值。

MAP是所有用戶的AP(average precision)的平均值。對(duì)單個(gè)用戶，假設(shè)推薦的列表含有m篇新聞，AP的計(jì)算如式(13)所示。

(13)

在本文的實(shí)驗(yàn)中，我們對(duì)比以下模型在數(shù)據(jù)集上的結(jié)果。

? LogisticMF[13]: 這是一個(gè)對(duì)隱性反饋數(shù)據(jù)做推薦的state-of-art模型，等同于CJE模型在β=0時(shí)的情況。

? AveVec: 首先使用PV-DBOW模型學(xué)習(xí)新聞的表示向量，然后對(duì)每一個(gè)用戶，將這個(gè)用戶在訓(xùn)練集里點(diǎn)擊過的新聞的向量取均值作為這個(gè)用戶的表示向量，最后根據(jù)用戶向量與測(cè)試集中的新聞向量的余弦值從大到小排序并做推薦。

? CJE: Collaborative Joint Embedding是本文提出的模型。

? CJE+: 使用預(yù)先學(xué)習(xí)好的詞嵌入模型初始化CJE模型中的詞向量，這是我們提出的第二個(gè)模型。在本文中，我們使用Skip-Gram模型[4]訓(xùn)練用于初始化的詞向量。

3.2 平衡因子β對(duì)結(jié)果的影響

CJE模型里的β是一個(gè)很重要的參數(shù)，用于調(diào)整用戶偏好和新聞的語義信息對(duì)模型似然函數(shù)的影響，能影響推薦的效果。β越大，語義信息對(duì)似然函數(shù)的影響越大，用戶歷史行為信息對(duì)似然函數(shù)的影響就越小。圖2展示了β在不同取值下CJE模型的MAP指標(biāo)，這里的向量維度設(shè)為50。從圖中可以看出，當(dāng)β的取值范圍在0.02到0.15的區(qū)間內(nèi)時(shí)，MAP指標(biāo)呈上升趨勢(shì)；當(dāng)β的取值大于0.15時(shí)，MAP指標(biāo)呈下降趨勢(shì)。在本文使用的數(shù)據(jù)集下，β的取值為0.15時(shí)結(jié)果最好。

圖2 CJE模型的β參數(shù)在不同取值下的MAP指標(biāo)

3.3 模型對(duì)比

我們對(duì)5折交叉驗(yàn)證的結(jié)果取平均值作為最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，β取0.15，表1給出了CJE模型、CJE+模型和作為Baseline的LogisticMF模型與AveVec模型在數(shù)據(jù)集上的結(jié)果。表中P@K表示Precision@K，R@K表示Recall@K，dim列是向量的維度，我們對(duì)比了在50、100和200維下的結(jié)果。從表中的結(jié)果可以看出，由于AveVec只對(duì)新聞向量做了簡(jiǎn)單的平均處理，沒有能很好地捕捉用戶的興趣偏好，是四個(gè)模型中表現(xiàn)最差的。對(duì)用戶的歷史點(diǎn)擊行為做分解的LogisticsMF的表現(xiàn)比AveVec好，是一個(gè)很強(qiáng)的baseline。本文提出的CJE和CJE+模型各項(xiàng)指標(biāo)都比其余兩個(gè)模型高，甚至50維的結(jié)果比LogisticsMF模型200維的結(jié)果還要好，這說明同時(shí)融合用戶的歷史行為信息與新聞的語義信息能有效提升推薦效果。除此之外，由于我們的模型將用戶、新聞和詞嵌入到了同樣的潛在語義空間，所以用戶和新聞的向量可以通過若干最相近的詞來解釋(可以通過計(jì)算點(diǎn)積找最相近的詞)。由于CJE+模型使用了預(yù)先訓(xùn)練好的詞向量，引入了額外的詞的語義信息，故結(jié)果比CJE模型稍好。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3是各個(gè)模型在不同維度下的MAP指標(biāo)柱狀圖，從圖中可以直觀地看出從50維到100維，CJE和CJE+模型的MAP指標(biāo)有較大的提升，從100維到200維的提升幅度較小，趨于平緩。

圖3 在不同維度下的MAP指標(biāo)柱狀圖

4 總結(jié)

本文將文檔與詞的表示學(xué)習(xí)模型與基于矩陣分解的協(xié)同過濾算法結(jié)合起來，提出一種用于推薦領(lǐng)域的協(xié)同表示學(xué)習(xí)模型CJE，能同時(shí)學(xué)習(xí)帶有語義信息的用戶和文檔的表示向量。在真實(shí)的新聞點(diǎn)擊數(shù)據(jù)集上的實(shí)驗(yàn)表明，我們提出的模型優(yōu)于其他基準(zhǔn)模型。

本文提出的模型的語義部分以詞袋模型為基礎(chǔ)，不可避免地會(huì)造成信息丟失，考慮詞的順序關(guān)系是我們未來的研究方向之一。除此之外，結(jié)合時(shí)間因素的協(xié)同表示學(xué)習(xí)模型也是一個(gè)值得探究的方向。