CFM: Convolutional Factorization Machines for Context-Aware Recommendation
摘要
因子分解機是一種基於內積的感知推薦系統，通過內積建模二階交互特征。但是，它仍然不足以捕獲高階非線性信號。最近很多工作都用神經網絡增強FM性能。這些方案假設嵌入層彼此獨立，並以隱式的方式建模高階交互。這篇論文，提出卷積因子分解機模型解決上述問題。CFM通過外積建模二階交互，產生圖像類數據，捕捉嵌入層之間的相關性。然后，所有生成圖像數據被堆疊起來，形成交互矩陣集合，在此基礎上，應用卷積學習高階交互信號。此外，論文還利用自我關注機制執行特征(pooling)池化,減少時間復雜度，論文在三個數據集進行了實驗證明了方法有顯著改進。
介紹
描述用戶行為數據時，除了用戶/項目ID，還提供了豐富的上下文信息。包括但不限於，人口描述，項目屬性，時間/地點信息，歷史記錄和最近交易信息。通用的方法是將他們轉化為高維特征向量，在特征輸入上建立模型。
不同於圖像和音頻中自然發現的連續實值特征，感知推薦系統輸入大多是離散的，就導致高維且稀疏的特征向量。
現有特征建模分為兩類：
1手動構造交叉特征。2自動學習特征交互，將特征學習為嵌入，將特征交互表示為嵌入之上的函數。
論文為了減少構造交叉特征的工作量，提出CMF自動學習特征交互。專業來說，特征嵌入首先被送入self-attention池化（pooling）層，可以大大降低計算量，削弱了噪音特征的影響，然后，用外積建模二階交互模型，生成了一個二維矩陣set.和內積相比，更容易捕獲嵌入層之間相關性，將生成的矩陣堆疊起來，得到一個三維矩陣---編碼了所有二階交互。為了顯式學習高階信號。論文在三維矩陣上使用卷積，並疊加多層卷積神經網絡。
論文利用self-attention對特征池化操作，降低計算量和時間復雜度。
Convolutional Factorization Machine
原始FM模型僅僅以線性方式，通過內積建模二階交互。CMF：
最后一項是核心交互組件，下面會介紹如何學習。
輸入和嵌入層
輸入感知向量x,包括用戶ID,歷史項目multi-hot features，然后，每個特征，通過嵌入層映射到D維密集向量表示 。
Self-Attention Pooling Layer
對特征進行池化（Pooling）操作對每一個field學習單個嵌入。以往的池化操作包括最大池化和平均池化，但是這樣不能有效捕獲不同特征重要性。故論文提出注意力機制（通過MLP映射）
將隱藏層映射到注意力得分。
的重要性通過歸一化注意力得分函數實現：
上式計算的，就作為的池化核函數（核函數代表特征重要度）：
Interaction Cube
池化層之后，論文使用交互矩陣集（3D立方）表示特征交互，和由外積進行交互。
總結：
1MLP多層感知機獲取重要度矩陣（作為池化基進行第一步池化）
2對特征矩陣進行池化，獲得（多通道矩陣）
3和外積（特征交互），作為卷積操作。
多維數據交互的優點：
1外積更能捕獲維度相關性
2顯式方案模擬高階交互-立方體不同層之間交互。代表層，后的下標，代表層內元素。
3.卷積核是多維矩陣，故能將層數降維。
卷積操作：
1.卷積（3維卷積核）
2.偏差，激活函數RELU
3.第一層 卷積核形狀：[2,2,14] 步長[2,2,1] （對應寬高深）
后序卷積核和步長 形狀：[2,2,2]
三維卷積輸出的是一維向量，然后采用全連接層進行映射：
損失函數：
Top-k推薦
是對應的負采樣樣本，是激活函數。
首先采集 正樣本，（通過mini-batch），包括用戶上下文感知和項目屬性。然后對每一個特定的用戶，隨機采集負樣本。然后結合負樣本特征建立負樣本和用戶的交互。最后，正的交互和負的交互都fed to訓練，得到損失。
Data
| Dataset |
#users |
#items |
#transactions |
#fields |
| Frappe |
957 |
4,082 |
96,203 |
10 |
| Last.fm |
1,000 |
20,301 |
214,574 |
4 |
| MovieLens |
6,040 |
3,665 |
939,809 |
4 |
Experiments
RQ1 Does CFM model outperform state-of-the-art methods
for CARS top-k recommendation?
RQ2 How do the special designs of CFM (i.e., interaction
cube and 3DCNN) affect the model performance?
RQ3 What’s the effect of the attention-based feature pooling?
Experimental Settings
Frappe
app推薦數據
數據包含96203app使用日志，每個日志包含10個上下文特征域，包含用戶ID,項目ID,時間，其他信息。
Last.fm
音樂推薦數據集
提取了最新的1000用戶聽歌記錄
用戶上下文描述為：用戶ID，用戶90分鍾內聽的音樂ID,項目屬性包括，音樂ID,藝術家ID(歌手)
MovieLens
評價指標
leave-one-out
對於last.fm和movielens數據，用戶最新交互取出做測試，剩下的做訓練集。對frappe，因為沒時間戳信息，故任意選擇一個交互做測試，推薦性能指標HR、NDCG(它將更高的分數分配給排名靠前的項目)
參數設置
性能對比
Interaction Cube的性能評價（特征外積）
為證明立方有效性，論文將交互三維矩陣轉化為二維矩陣/或在深度方向執行最大池化操作，結果不如CMF好。
CFM>平鋪>最大池化>FM 證明了CNN外積學習的有效性
Study of Feature Pooling（注意力部分）
自我關注機制執行池化。替換為最大池化和均值池化進行對比。注意力池會為不同特征分配不同的重要性。保留了豐富的特征信息，削弱了噪音的影響。
CMF和沒有特征池的模型比較。發現：特征池可以減少訓練時間，帶來好的推薦質量。
總結
新的上下文感知推薦算法，結合了FM和CNN,關鍵設計是，一個基於外積的交互立方體。