用 Keras 实现图书推荐系统

本文为 AI 研习社编译的技术博客，原标题 ：

Building a book Recommendation System using Keras

作者 |  Gilbert Tanner

翻译 |  王逍遥、 孙稚昊2、 UPDATA

校对 | 就2       整理 | 菠萝妹

原文链接：

https://towardsdatascience.com/building-a-book-recommendation-system-using-keras-1fba34180699

用 Keras 实现图书推荐系统

图 1： Photo by  Brandi Redd  on  Unsplash

推荐系统试图依据用户旧物品评级或偏好来预测对某一物品的评级或偏好。为了提高服务质量，几乎每个大公司都使用推荐系统。

在本文中，我们将研究如何使用Embedding来创建图书推荐系统。

对于我们的数据，我们将使用goodbooks-10k数据集，它包含1万种不同的图书和大约100万个评级。它有三个特性:book_id、user_id和评级（rating）。

如果您不想自己从Kaggle下载数据集，可以从我的my Github repository中获得本文所涉及的文件和完整代码。

    Embedding

嵌入是一种映射，从离散的对象(如单词或在我们的例子里是图书id)到连续值向量的映射。这可以用来发现离散对象之间的相似性，如果不使用嵌入层，模型就不会发现这些相似性。

嵌入向量是低维的并且在训练网络时得到更新。下图显示了使用谷歌开源的高纬数据可视化 Tensorflows Embedding Projector  创建的嵌入示例。

图 2：Projector Embeddings

    获取数据

首先使用Pandas加载数据集。之后将数据集拆分为训练集和测试集，我们将创建两个变量，分别用来存储去重后的用户id和书籍id(并不是用户数量)。

dataset = pd.read_csv('ratings.csv')
train, test = train_test_split(dataset, test_size=0.2, random_state=42)
n_users = len(dataset.user_id.unique())
n_books = len(dataset.book_id.unique())

图3：Rating-Dataset Head

数据集已经被清洗过，所以我们无需做更多的数据清洗或者数据预处理的步骤。

  建立嵌入模型

使用Keras 的深度学习框架可以很容易地创建神经网络嵌入模型，以及处理多个输入和输出层。

我们的模型有以下的结构：

1. 输入：包括书和用户

2. 嵌入层：书和用户的嵌入

3.点乘：使用点乘来合并各个嵌入向量

在一个嵌入模型中，嵌入的权重要在训练中学习得到。这些嵌入不仅能用来从数据中提取信息，他们本身也可以被提取或者可视化。

为了简单起见，我不在模型最后加上全连接层，虽然加上可以提高不少准确率。如果你想要更精确的模型，你可以加上试试。

下面是创建模型的代码：

from keras.layers import Input, Embedding, Flatten, Dot, Dense
from keras.models import Model
book_input = Input(shape=[1], name="Book-Input")
book_embedding = Embedding(n_books, 5, name="Book-Embedding")(book_input)
book_vec = Flatten(name="Flatten-Books")(book_embedding)

user_input = Input(shape=[1], name="User-Input")
user_embedding = Embedding(n_users, 5, name="User-Embedding")(user_input)
user_vec = Flatten(name="Flatten-Users")(user_embedding)

prod = Dot(name="Dot-Product", axes=1)([book_vec, user_vec])
model = Model([user_input, book_input], prod)
model.compile('adam', 'mean_squared_error')

    训练模型

现在我们已经建好了模型，准备训练模型。由于模型包含两个输入层（一个是书籍输入，一个是用户输入），我们需要将训练集组合成一个数组作为 x 输入。在本文中， 我对模型训练了 10 epochs，如果想得到更好的结果，你可以训练更长的时间。

下面是训练代码：

history = model.fit([train.user_id, train.book_id], train.rating, epochs=10, verbose=1)
model.save('regression_model.h5')

    将嵌入可视化

嵌入可以被用来可视化一些概念，比如不同书之间的关系。为了可视化这些概念，我们需要减少向量维读，通过一些降维的技术，比如 主成分分析 （PCA），或者t-分布领域嵌入算法(t-SNE）。

从10000维开始 （每一维是一本书），我们通过嵌入模型把它减少到5维，再通过PCA 或t-SNE 把它减少到2维。

首先，我们用 get_layer 函数来提取嵌入：

# Extract embeddings
book_em = model.get_layer('Book-Embedding')
book_em_weights = book_em.get_weights()[0]

现在我们用PCA来把嵌入转化为2维向量，并且用Seaborn把结果画成散点图：

from sklearn.decomposition import PCA
import seaborn as sns

pca = PCA(n_components=2)
pca_result = pca.fit_transform(book_em_weights)
sns.scatterplot(x=pca_result[:,0], y=pca_result[:,1])

图4：Visualizing embeddings with PCA

同样的事也可以用t-SNE：

from sklearn.manifold import TSNE

tsne = TSNE(n_components=2, verbose=1, perplexity=40, n_iter=300)
tnse_results = tsne.fit_transform(book_em_weights)
sns.scatterplot(x=tnse_results[:,0], y=tnse_results[:,1])

图5：Visualizing embeddings with TSNE

    进行推荐

使用我们训练的模型进行推荐很简单。我们只需要输入一个用户和所有图书，然后选择对该特定用户具有最高预测评级的图书。

下面的代码显示了对特定用户进行预测的过程：

# Creating dataset for making recommendations for the first user
book_data = np.array(list(set(dataset.book_id)))
user = np.array([1 for i in range(len(book_data))])
predictions = model.predict([user, book_data])
predictions = np.array([a[0] for a in predictions])
recommended_book_ids = (-predictions).argsort()[:5]
print(recommended_book_ids)
print(predictions[recommended_book_ids])

这段代码输出：

array([4942, 7638, 8853, 9079, 9841], dtype=int64)
array([5.341809 , 5.159592 , 4.9970446, 4.9722786, 4.903894 ], dtype=float32)

导入图书 csv ，得到更多的信息：

books = pd.read_csv(‘books.csv’)
books.head()

print(books[books[‘id’].isin(recommended_book_ids)])

    结论

嵌入是一种把离散的物体，比如单词，转化为连续值向量的方法。嵌入对寻找物体相似度，可视化等目标很有帮助，并且可以用来做另一个机器学习模型的输入。

这个例子肯定不是完美的，有很多方法可以被尝试来提高准确率。但对于高级的问题，用嵌入来学习输入是一个好的出发带你。

下面的方法可以得到更好的结果：

• 在点乘后加入全连接层

• 训练更多轮

• 对评分列做归一化

• 等等

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感谢Dipanjan (DJ) Sarkar.

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