学习总结

• 本次task学习深度学习模型系统的整体脉络，改进网络模型的常用手段：改变神经网络的复杂程度、改变特征交叉方式、把多种模型组合应用、结合交叉领域（如NLP、强化学习等）。
• 整个深度学习推荐模型的演化过程，是从最经典的多层神经网络向不同方向开枝散叶，比如结合协同过滤发展出了 NerualCF，加入 Embedding 层发展出以 Deep Crossing 为代表的 Embedding+MLP 的结构，以及把深度神经网络和单层网络结合起来发展出 Wide&Deep 模型等等。
• 深度学习模型可以大大增加模型的“非线性”拟合能力，对复杂数据模型进行更准确的分类，避免“欠拟合”现象的发生，从而提升推荐效果。

一、深度学习对推荐系统的影响

1.1 强拟合能力

矩阵分解。在矩阵分解模型的结构（图 1 左）中，用户 One-hot 向量和物品 One-hot 向量分居两侧，它们会先通过隐向量层转换成用户和物品隐向量，再通过点积的方式交叉生成最终的打分预测。

点积这种特征向量交叉的方式毕竟过于简单，在数据模式比较复杂的情况下，往往存在欠拟合的情况。而深度学习就能大大加强模型的拟合能力，比如在 NeuralCF（神经网络协同过滤）模型中，点积层被替换为多层神经网络，理论上多层神经网络具备拟合任意函数的能力，所以我们通过增加神经网络层的方式就能解决模型欠拟合的问题了。

简单回顾，对比上图：
（1）欠拟合：模型复杂度低，无法很好拟合训练集数据（左图）。
（2）拟合：通过深度学习模型增加模型的“非线性”拟合能力，找到合适分类面（中图）
（3）过拟合：模型在训练集上误差很小，但在测试集误差较大，如模型曲线过分精确刻画分界线，忽略了对噪声的容忍能力。

1.2 模型的灵活性

典型的例子就是阿里巴巴的模型 DIN（深度兴趣网络）和 DIEN（深度兴趣进化网络）。它们通过在模型结构中引入注意力机制和模拟兴趣进化的序列模型，来更好地模拟用户的行为。

图 4 的 DIN 模型：它在神经网络中增加了一个叫做“激活单元“的结构，这个单元就是为了模拟人类的注意力机制。举个例子来说，我们在购买电子产品，比如说笔记本电脑的时候，更容易拿之前购买电脑的经验，或者其他电子产品的经验来指导当前的购买行为，很少会借鉴购买衣服和鞋子的经验。这就是一个典型的注意力机制，我们只会注意到相关度更高的历史购买行为，而 DIN 模型就是模拟了人类的注意力特点。

改进版 DIEN 模型就更厉害了，它不仅引入了注意力机制，还模拟了用户兴趣随时间的演化过程。我们来看那些彩色的层，这一层层的序列结构模拟的正是用户兴趣变迁的历史，通过模拟变迁的历史，DIEN 模型可以更好地预测下一步用户会喜欢什么。

深度学习推荐模型这么多，发展这么快，也没有一个统一的模板，我们该学哪个，怎么学呢？我想说的是，算法工程师的工作是一个持续优化和迭代的过程，如果想要追求更好的推荐效果，我们的思路不应该只局限于某一个被成功应用的模型，而是应该把眼光放得更高、更宽，去思考这些成功的推荐模型在业界下一步的发展方向是什么？有没有哪些其他的模型结构的思路可以借鉴。这些都是你在这个岗位上取得持续成功的关键。

二、模型的演化关系图

先看图片中上方的多层感知机MLP，MLP会对输入的特征进行深度地组合交叉，然后输出对兴趣值的预测。其他的深度推荐模型全都是在多层感知机的基础上，进行结构上的改进而生成的，所以“多层感知机”是整个演化图的核心。

MLP上方的Deep Crossing 实际上是一类经典深度学习模型的代表，相比于 MLP，Deep Crossing 在原始特征和 MLP 之间加入了 Embedding 层。这样一来，输入的稀疏特征先转换成稠密 Embedding 向量，再参与到 MLP 中进行训练，这就解决了 MLP 不善于处理稀疏特征的问题。可以说，Embedding+MLP 的结构是最经典，也是应用最广的深度学习推荐模型结构。

MLP下方的Google 提出的推荐模型 Wide&Deep。它把深层的 MLP 和单层的神经网络结合起来，希望同时让网络具备很好的“记忆性”和“泛化性”。它具有“易实现”、“易落地”、“易改造”的特点，获得了业界的广泛应用。

围绕着 Wide&Deep 还衍生出了诸多变种，比如，通过改造 Wide 部分提出的 Deep&Cross 和 DeepFM，通过改造 Deep 部分提出的 AFM、NFM 等等。总之，Wide&Deep 是业界又一得到广泛应用的深度推荐模型。

跟其他机器学习子领域的交叉。举 3 个比较著名的例子：
（1）深度学习和注意力机制的结合，诞生了阿里的深度兴趣网络 DIN，浙大和新加坡国立提出的 AFM 等等；
（2）把序列模型引入 MLP+Embedding 的经典结构，诞生了阿里的深度兴趣进化网络 DIEN；
（3）把深度学习和强化学习结合在一起，诞生了微软的深度强化学习网络 DRN，以及包括美团、阿里在内的非常有价值的业界应用。

2.1 改变神经网络的复杂程度

从最简单的单层神经网络模型 AutoRec，到经典的深度神经网络结构 Deep Crossing，它们主要的进化方式在于增加了深度神经网络的层数和结构复杂度。

2.2 改变特征交叉方式

大大提高了深度学习网络中特征交叉的能力。比如说，改变了用户向量和物品向量互操作方式的 NeuralCF，定义了多种特征向量交叉操作的 PNN 等等。

2.3 把多种模型组合应用

组合模型主要指的就是以 Wide&Deep 模型为代表的一系列把不同结构组合在一起的改进思路。它通过组合两种甚至多种不同特点、优势互补的深度学习网络，来提升模型的综合能力。

2.4 交叉领域

从 DIN、DIEN、DRN 等模型中可以看出，深度推荐模型无时无刻不在从其他研究领域汲取新的知识。从推荐系统顶会 Recsys2020 中可以看到，NLP 领域的著名模型 Bert 又与推荐模型结合起来，并且产生了非常好的效果。一般来说，自然语言处理、图像处理、强化学习这些领域都是推荐系统经常汲取新知识的地方。

三、作业

经典的深度模型结构实现好，肯定能提升我们公司推荐系统的效果，你觉得这种观点有问题吗？你觉得除了模型结构，还有哪些影响推荐效果的因素？为什么？

【答】适合算法（选型、调参）+数据结构（数据准备）+业务场景（流程变动）=推荐系统优化。
（1）首先从算法自身，在MLP层数是较多情况下，模型复杂度越高越精确，相对计算时间也越长久，但是实际的业务与数据，只需要2层的MLP，那么还不如Emmbedding+MLP简单层效果。
（2）其次业务场景出发，不是所有的算法都是公司的业务，现有公司的业务数据就是这样，DIEN模型是因为阿里具有强大的大数据采集处理能力平台架构，用户行为变化的能力可以完全捕捉，才能实现Attention机制深度推荐系统。

Reference

（1）https://github.com/wzhe06/Reco-papers
（2）《深度学习推荐系统实战》，王喆

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