京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
现今,推荐系统被用来个性化你在网上的体验,告诉你买什么,去哪里吃,甚至是你应该和谁做朋友。人们口味各异,但通常有迹可循。人们倾向于喜欢那些与他们所喜欢的东西类似的东西,并且他们倾向于与那些亲近的人有相似的口味。推荐系统试图捕捉这些模式,以助于预测你还会喜欢什么东西。电子商务、社交媒体、视频和在线新闻平台已经积极的部署了它们自己的推荐系统,以帮助它们的客户更有效的选择产品,从而实现双赢。
两种最普遍的推荐系统的类型是基于内容和协同过滤(CF)。协同过滤基于用户对产品的态度产生推荐,也就是说,它使用“人群的智慧”来推荐产品。与此相反,基于内容的推荐系统集中于物品的属性,并基于它们之间的相似性为你推荐。
一般情况下,协作过滤(CF)是推荐引擎的主力。该算法具有能够自身进行特征学习的一个非常有趣的特性,这意味着它可以开始学习使用哪些特性。CF可以分为基于内存的协同过滤和基于模型的协同过滤。在本教程中,你将使用奇异值分解(SVD)实现基于模型的CF和通过计算余弦相似实现基于内存的CF。
我们将使用MovieLens数据集,它是在实现和测试推荐引擎时所使用的最常见的数据集之一。它包含来自于943个用户以及精选的1682部电影的100K个电影打分。你应该添加解压缩的movielens数据文件夹你的notebook目录下。你也可以在这里(http://files.grouplens.org/datasets/movielens/ml-100k.zip)下载数据集。

读入u.data文件,它包含完整的数据集。你可以 file, which contains the full dataset. You can(http://files.grouplens.org/datasets/movielens/ml-100k-README.txt)在这里阅读该数据集的简要说明。

先看看数据集中的前两行。接下来,让我们计算唯一用户和电影的数量。

你可以使用scikit-learn库将数据集分割成测试和训练。Cross_validation.train_test_split根据测试样本的比例(test_size),本例中是0.25,来将数据混洗并分割成两个数据集。

丨基于内存的协同过滤
基于内存的协同过滤方法可以分为两个主要部分:用户-产品协同过滤和产品-产品协同过滤。一个用户-产品协同过滤将选取一个特定的用户,基于打分的相似性发现类似于该用户的用户,并推荐那些相似用户喜欢的产品。相比之下,产品-产品协同过滤会选取一个产品,发现喜欢该产品的用户,并找到这些用户或相似的用户还喜欢的其他的产品。输入一个产品,然后输出其他产品作为推荐。
· 用户-产品协同过滤: “喜欢这个东西的人也喜欢……”
· 产品-产品协同过滤: “像你一样的人也喜欢……”
在这两种情况下,从整个数据集构建一个用户-产品矩阵。由于你已经将数据拆分到测试集和训练集,那么你将需要创建两个[943 x 1682]矩阵。训练矩阵包含75%的打分,而测试矩阵包含25%的打分。

用户-产品矩阵的例子: blog8
在构建了用户-产品矩阵后,计算相似性并创建一个相似性矩阵。
在产品-产品协同过滤中的产品之间的相似性值是通过观察所有对两个产品之间的打分的用户来度量的。

对于用户-产品协同过滤,用户之间的相似性值是通过观察所有同时被两个用户打分的产品来度量的。

通常用于推荐系统中的距离矩阵是余弦相似性,其中,打分被看成n维空间中的向量,而相似性是基于这些向量之间的角度进行计算的。用户a和m的余弦相似性可以使用下面的公式进行计算,其中,获取用户向量的点积和,然后用向量的欧几里得长度的乘积来除以它。

要计算产品m和b之间的相似性,使用公式:

第一步是创建用户-产品矩阵。由于你既有测试数据,又有训练数据,那么你需要创建两个矩阵。

你可以使用sklearn的pairwise_distances函数来计算余弦相似性。注意,输出范围从0到1,因为打分都是正的。

下一步是做出预测。你已经创建了相似性矩阵:user_similarity和item_similarity,因此,你可以通过为基于用户的CF应用下面的公式做出预测:

你可以将用户k和a之间的相似性看成权重,它乘以相似用户a (校正的平均评分用户)的评分。你需要规范化该值,使打分位于1到5之间,最后,对你尝试预测的用户的平均评分求和。
这里的想法是,某些用户可能会倾向于对所有的电影,总是给予高或低评分。这些用户提供的评分的相对差比绝对评分值更重要。举个例子:假设,用户k对他最喜欢的电影打4星,而对所有其他的好电影打3星。现在假设另一个用户t对他/她喜欢的电影打5星,而对他/她感到无聊的电影打3星。那么这两个用户可能品味非常相似,但对打分系统区别对待。
当为基于产品的CF进行预测时,你无须纠正用户的平均打分,因为查询用户本事就是用来做预测的。



丨评估
有许多评价指标,但其中最受欢迎的用来度量预测评分的准确性的指标是均方根误差 (RMSE)。

你可以使用sklearn的mean_square_error (MSE)函数,其中,RMSE仅仅是MSE的平方根。要了解更多不同的评价指标,你可以看看这篇文章。
由于你只是想要考虑测试数据集中的预测评分,因此,使用prediction[ground_truth.nonzero()]筛选出预测矩阵中的所有其他元素。

基于内存的算法事很容易实现并产生合理的预测质量的。
基于内存的CF的缺点是,它不能扩展到真实世界的场景,并且没有解决众所周知的冷启动问题,也就是当新用户或新产品进入系统时。基于模型的CF方法是可扩展的,并且可以比基于内存的模型处理更高的稀疏度,但当没有任何评分的用户或产品进入系统时,也是苦不堪言的。
丨基于模型的协同过滤
基于模型的协同过滤是基于矩阵分解(MF),它已获得更大的曝光,它主要是作为潜变量分解和降维的一个无监督学习方法。矩阵分解广泛用于推荐系统,其中,它比基于内存的CF可以更好地处理与扩展性和稀疏性. MF的目标是从已知的评分中学习用户的潜在喜好和产品的潜在属性(学习描述评分特征的特征),随后通过用户和产品的潜在特征的点积预测未知的评分。
当你有一个非常稀疏的多维矩阵时,通过进行矩阵分解可以调整用户-产品矩阵为低等级的结构,然后你可以通过两个低秩矩阵(其中,每行包含该本征矢量)的乘积来代表该矩阵。你通过将低秩矩阵相乘,在原始矩阵填补缺少项,以调整这个矩阵,从而尽可能的近似原始矩阵。
让我们计算MovieLens数据集的稀疏度:

举例说明用户和产品的学习隐藏偏好:假设MovieLens数据集中有以下信息:(user id, age, location, gender, movie id, director, actor, language, year, rating)。通过应用矩阵分解,模型学习到重要的用户特征是年龄组(10岁以下,10-18岁,18-30岁,30-90岁),位置和性别,而对于电影特性,它学习到年份,导演和演员是最重要的。现在,如果你看看你所存储的信息,其中并没有年份这样的特性,但该模型可以自己学习。重要方面是,CF模型仅使用数据(user_id, movie_id, rating)来学习潜在特征。如果只有少数可用的数据,那么基于模型的CF模式将预测不良,因为这将更难以学习潜在特征。
同时使用评分和内容特性的模型称为混合推荐系统,其中,协同过滤和基于内容的模型相结合。混合推荐系统通常比协同过滤或基于内容的模型自身表现出更高的精度:它们有能力更好的解决冷启动问题,因为如果你没有一个用户或者一个产品的评分,那么你可以使用该用户或产品的元数据进行预测。混合推荐系统将在未来的教程中介绍。
丨SVD
一个众所周知的矩阵分解方法是奇异值分解(SVD)。通过使用奇异值分解,协同过滤可以被近似一个矩阵X所制定。Netflix Prize比赛中的获胜队伍使用SVD矩阵分解模型来生成产品建议,更多的信息,推荐阅读文章:Netflix推荐:5星之外和Netflix Prize和SVD。
一般的方程可以表示为:

给定m x n矩阵X:
· U是一个(m x r)正交矩阵
· S是一个对角线上为非负实数的(r x r)对角矩阵
· V^T是一个(r x n)正交矩阵
S的对角线上的元素被称为X的奇异值。
矩阵X可以被分解成U,S和V。U矩阵表示对应于隐藏特性空间中的用户的特性矩阵,而V矩阵表示对应于隐藏特性空间中的产品的特性矩阵。

现在,你可以通过U, S和V^T的点积进行预测了。


草草解决只有相对较少为人所知的问题是非常容易出现的过度拟合。SVD可能会非常缓慢,并且计算成本比较高。更近期的工作通过应用交替最小二乘或随机梯度下降最小化平方误差,并使用正则项以防止过 ??度拟合。你可以看到我们之前的一个关于随机梯度下降的教程,以获取更多详细信息。用于CF的交替最小二乘和随机梯度下降的方法将在未来的教程中介绍。
总结一下:
· 在这篇文章中,我们讲了如何实现简单的协同过滤方法,包括基于内存的CF和基于模型的CF。
· 基于内存的模型是基于产品或用户之间的相似性,其中,我们使用余弦相似性。
· 基于模型的CF是基于矩阵分解,其中,我们使用SVD来分解矩阵。
· 构建在冷启动的情况下(其中,对于新用户和新产品来说,数据不可用)表现良好的推荐系统仍然是一个挑战。标准的协同过滤方法在这样的设置下表现不佳。在接下来的教程中,你将深入研究这一问题。
原文链接:
http://online.cambridgecoding.com/notebooks/eWReNYcAfB/implementing-your-own-recommender-systems-in-python-2
译文链接:https://github.com/ictar/pythondocument/blob/master/Science%20and%20Data%20Analysis/在Python中实现你自己的推荐系统.md
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
CDA数据分析师 出品 作者:李诗怡 STP模型(营销战略三步法) 定义: 现代营销战略核心框架,通过市场细分(S)、目标市场选择( ...
2026-09-18在互联网产品迭代、运营优化、界面改版与策略升级过程中,主观经验判断容易造成决策偏差、盲目改版、资源浪费等问题。AB实验(AB ...
2026-09-18 很多企业并不缺少指标,缺少的是让指标“串起来、动起来、用起来”的体系。零散指标像散落一地的珠子,指标体系则是那根把珠 ...
2026-09-18在电商行业精细化运营时代,流量红利逐步消退,粗放式投流、广撒网营销模式已无法适配市场竞争需求。依托用户点击、加购、收藏、 ...
2026-09-17在数据可视化与数据分析工作中,图表是将零散数据转化为直观业务规律的核心工具。不同图表拥有专属的数据逻辑与分析维度,能够从 ...
2026-09-17 很多数据分析师每天盯着GMV、DAU、转化率,但当被问到“哪些指标在所有行业都适用”“哪些指标只对电商有意义”“二者如何搭 ...
2026-09-17在企业数字化运营、业务流程管理与精细化管控体系中,流程运营是串联各项业务环节、保障工作落地、提升运转效率的核心载体。无论 ...
2026-09-16在数据分析与统计学研究中,卡方检验是分析分类变量关联性与差异性的重要方法,广泛应用于市场调研、行为统计、社会调查、商业数 ...
2026-09-16 很多数据分析师每天盯着GMV、DAU、转化率,但当被问到“什么是指标”“指标和维度有什么区别”“如何定义指标值的计算规则和 ...
2026-09-16CDA数据分析师 出品 作者:李诗怡 定义: 用户增长核心分析框架,刻画用户从接触产品到自发推荐的全生命周期,五个递进环节构建 ...
2026-09-15在数字化营销与精细化用户运营时代,企业传统的广撒网式营销模式成本高、转化率低,已无法适配精准商业竞争需求。客户画像作为大 ...
2026-09-15 很多数据分析师精通描述性统计,能熟练计算均值、中位数、标准差,但当被问到“用500个样本如何推断10万用户的真实满意度” ...
2026-09-15在MySQL数据库数据查询与数据分析中,GROUP BY与ORDER BY是使用频率极高的核心关键字。二者语法结构相似,常搭配使用,但核心功 ...
2026-09-14随着数字化治理、智慧运营、数字孪生技术的普及,数字体征成为衡量业务状态、系统运行、城市治理与企业经营健康度的核心体系。数 ...
2026-09-14 很多数据分析师沉迷于复杂的模型和算法,却忽略了数据分析的一项基础能力——描述性统计。事实上,大量商业分析问题,用描述 ...
2026-09-14在MySQL数据库运维与开发实践中,经常出现一种典型现象:数据库实际存储的数据量很小,数据表条数少、文件体积低,但服务器整体 ...
2026-09-11 很多数据分析师能熟练计算均值、标准差,但当被问到“总体和样本有什么区别”“参数和统计量有什么关系”“数据级别的高低如 ...
2026-09-11CDA数据分析师 出品 作者:李诗怡 定义: 将同一时间段内因具备相同属性或共同经历的用户划分为群体,分析其留存与生命周期价值 ...
2026-09-11在零售、商超、餐饮、线下门店等实体商业运营中,客流与销售额是衡量门店经营状态的两大核心指标。销售额是门店经营的最终结果, ...
2026-09-10在数据可视化体系中,柱形图是最基础、应用最广泛的图表类型,其中**累计柱形图(堆积柱状图)**是兼顾整体总量与内部结构的核心 ...
2026-09-10