FM算法和DeepFM算法

FM

线性模型的二阶特征组合

$w_ij$是固定的。

对于n个特征的模型，相比组合之前参数量级增加量级是$n^2$：
n个特征组合后是n(n-1)/2，比如有(n=)1000个特征增加近50万个参数。

怎么能减少参数呢？

概述

因子分解机（Factorization Machine），又称分解机器。
以线性二阶特征组合模型为基础，解决在稀疏数据的条件下特征组合的问题。

假设函数：

其中

上面第一个公式表示一条数据的假设函数。
n：特征个数 ，i：第i个特征 。
$w_i$：第i个特征的权重参数，$x_i$：第i个特征的数据值，$v_i$：第i个特征的embedding向量。
$<v_i,v_j>$：第i，j个特征的embedding向量进行内积，得到一个标量值，只跟特征有关，跟样本无关。也就是具体两个特征组合的权重是固定的，所有特征进行两两组合后的每个组合的权重是固定的。
$x_i x_j$：第i，j个特征对应数据值的乘积，特征要先转换成数字。

第二个公式中：
k表示embedding向量的长度

引入原因：
1、弥补线性模型对稀疏情况下组合特征学习不足的问题（线性模型假设模型之间相互独立，只学习了一阶关系）。
实际情况，特征之间是有关联的。
2、解决二级特征组合问题
两两特征模型，每两个特征有一个参数w要学习。
参数比较多，n维特征就有 n(n-1)/2个参数要学习
稀疏性问题，实际数据两两相乘很多都为0，没办法学习。

原理：
每个特征都有自己对应的大小为k的一维隐向量，通过FM模型的学习得来。

两两特征代表的权重用这两个特征的内积代替。w(i,j) = v(i) v(j) v是k维度。

推导

图片引用

降低负责度：
但经过一些数学变换，复杂度由$O(n^2)$降为$O(nf)$

代码

几个问题

为什么FM比线性两两组合更好？

线性特征组合的是两两特征，FM是拆解评分值的角度拆分的隐含特征。

两两组合特征有两个问题：一是计算量问题，二是数据稀疏问题。
而FM恰好可以解决这两个问题，计算量呈指数下降，并且有效的解决数据稀疏问题。

FM泛化能力强的原因

与LR中的手工特征组合相比，LR学习的是特征两两组合后单独的权重值，而FM巧妙的把单独权重拆分成两部分，一部分是特征i的embedding表示，一部分是特征j的表示，使用内积相乘来表示两个特征i,j组合后的新权重。

也就是说权重是对应在特征组合上的，还是对应某个特征的，LR选择了前者，FM选择了后者，所以FM更加的整合统一。

LR模型学习的时候如果两两特征组合没有出现过，$W_i,j$就学习不到。
而FM几乎不存在embedding学习不到的情况，只要i特征跟其它特征出现过$V_i$就可以学习到。

综上所属，FM的泛化能力更强。

什么情况下容易过度泛化

矩阵非常稀疏并且high-rank的时候容易过度泛化（是FM和DNN模型的共同缺点）：

当query-item矩阵是稀疏并且是high-rank的时候（比如user有特殊的爱好，或item比较小众），很难非常效率的学习出低维度的表示。
这种情况下，大部分的query-item都没有什么关系。但是dense embedding会导致几乎所有的query-item预测值都是非0的，这就导致了推荐过度泛化，会推荐一些不那么相关的物品

时间复杂度O(kn)

FM：通过公式改写时间复杂度由O(kn(2)) 降低到 O（kn）

FFM

FFM将特征按照事先的规则分为多个场(Field)，特征xi属于某个特定的场f。

当两个特征xi，xj组合时，用对方对应的场对应的隐向量做内积！

fi，fj分别是特征xi，xj对应的场编号。

FM 与 FFM比较

FM可以对高阶特征组合进行建模，但实际上因为计算复杂度的原因一般都只用到了二阶特征组合。

对于高阶的特征组合来说，我们很自然的想法，通过多层的神经网络即DNN来解决，也就是FFM。

DFM

解决了低阶特征和高阶特征组合的问题。

层结构

输入层-稀疏特征层：

• 给dense embedding层提供输入。
• 给FM层提供低阶特征的输入。

dense embedding嵌入层：

• 实现稀疏向量压缩到低维稠密向量。
• 给FM层提供组合特征输入
• 给DNN层提供全连接输入。

DNN隐层：

• 高阶特征组合隐含地体现在隐藏层。

FM层：

• 负责低阶特征提取

Wide&Deep和DeepFM比较

总结下wide&deep和DeepFM的异同：

1）两者的DNN部分模型结构相同，DNN部分负责二阶以上的高阶特征交叉；

2）wide&deep需要做特征工程，二阶特征交叉需要靠特征工程来实现，通过wide部分发挥作用；

3）DeepFM完全不需要做特征工程，直接输入原始特征即可，二阶特征交叉靠FM来实现，并且FM和DNN共享embedding；

4）从试验结果来看DeepFM效果优于wide&deep。

MF矩阵分解 与 FM因子分解机

MF（Matrix Factorization，矩阵分解）：

• 推荐系统领域里的最经典，历史最悠久的协同过滤模型。
• 核心思想是通过两个低维小矩阵（一个代表用户embedding矩阵，一个代表物品embedding矩阵）的乘积计算。
• 原始输入是评分矩阵。

相同和区别：
相同：

• 二者都隐含了embedding思想。
• 矩阵分解模型是因子分解机模型的特例，矩阵分解可以被认为是只有User ID 和Item ID这两个特征。
• MF用的评分信息，评分信息只能用作
• FM继承了MF的特征embedding化表达这个优点

不同：

• 是否可以引入新特征：FM可以用很多特征。MF只有评分信息，没有特征，如果实际项目中没有显示评分数据使用MF不方便（除非根据规则造一个评分数据）
• 隐特征含义不同：FM的每一个特征（用户物品下面会有多个特征）都有embedding。MF的用户有一个embedding，物品有一个embedding。
• 问题的形式不同：MF是给出评分，再进行评分预测的问题。FM可以是点击率预估问题。
• 在推荐系统中的地位不同：MF由于特征引入受限只用来召回，FM即可以召回又可以排序。

LR 与 FM

LR实现特征组合：
LR可以使用“线性模型+人工特征组合引入非线性”的模式引入特征组合。

1. 优点：

因为LR模型具有简单方便易解释。
容易上规模等诸多好处。

1. 缺点：

人工特征工程，耗时费力费人力资源。
对组合特征建模，泛化能力比较弱，特征相乘为0导致权重为0的情况比较多。
尤其是在大规模稀疏特征存在的场景下，这个毛病尤其突出，比如CTR预估和推荐排序，这些场景的最大特点就是特征的大规模稀疏。

FM自动实现组合：
相比LR ，$W_{i,j}$ 用内积$<v_i,v_j>$代替，$v_i$和$v_j$二者均为长度为k的向量。

SVM 与 FM

和SVM模型最大的不同，在于特征组合 权重的计算 方法。

FM 与DNN

FM和DNN都算是这样的模型，可以在很少的特征工程情况下，通过学习一个低纬度的embedding vector来学习训练集中从未见过的组合特征。

参考：

推荐系统召回四模型之：全能的FM模型
FM与FFM深入解析
推荐系统召回之FM模型12问
ctr预估之Wide&Deep和DeepFM
DeepFM: A Factorization-Machine based Neural Network for CTR Prediction
论文精读-DeepFM
FM与FFM深入解析
推荐算法之—FM
FM系列算法解读FM+FFM+DeepFM
FM算法优势
因子分解机FM-高效的组合高阶特征模型