自监督学习

参考文献：Tiansheng Yao et al.Self-supervised Learning for Large-scale Item Recommendations. In CIKM 2021.

双塔模型的问题

• 推荐系统的头部效应严重：
  • 少部分物品占据大部分点击。
  • 大部分物品的点击次数不高。
• 高点击物品的表征学得好，长尾物品的表征学得不好
• 自监督学习：做 data augmentation，更好地学习长尾物品的向量表征

自监督学习

正样本

对样本做随机变换，同物品的随机变换结果应该相似，不同物品的结果应该不相似

负样本

• 物品$i$的两个向量表征$b_i'$和$b_i''$有较高的相似度。
• 物品$i$和$j$的向量表征$b_i'$和$b_j''$有较低的相似度。
• 鼓励$\cos(b_i',b_i'')$尽量大，$\cos(b_i',b_j'')$尽量小。

特征变换

Random Mask

随机选一些离散特征（比如类目），把它们遮住。

例：

• 某物品的类目特征是 U={数码，摄影}。
• Mask 后的类目特征是 U'=

Dropout

仅对多值离散特征生效

• 一个物品可以有多个类目，那么类目是一个多值离散特征。
• Dropout：随机丢弃特征中 50%的值。
• 例：
  • 某物品的类目特征是 U = {美妆，摄影}。
  • Dropout 后的类目特征是 U' = {美妆}。

Complementary

互补特征

• 假设物品一共有 4 种特征：

  • ID,类目，关键词，城市

• 随机分成两组：

  • {D, 关键词}和

• {ID, default, 关键词, default} → 物品表征

• {default, 类目, default, 城市} → 物品表征

鼓励两个向量相似

Mask 一组关联的特征

• 受众性别：U = 男，女，中性
• 类目：V = 美妆，数码，足球，摄影，科技，…
• u=女 和 V = 美妆 同时出现的概率$p(u,v)$大
• u=女 和 V = 数码 同时出现的概率$p(u,v)$小

例

• p(u)：某特征取值为 u 的概率

  • p(男性)=20%
  • p(女性)=30%
  • p(中性)=50%

• p(u,v)：某特征取值为 u，另一个特征取值为 v，同时发生的概率。

  • p(女性’美妆)=3%
  • p(女性’数码)=0.1%

• 离线计算特征两两之间的关联，用互信息（nutual information)衡量：

  • $MI(U,V)=\sum_{u\in U}\sum_{v\in V}p(u,v)\cdot \log\frac{p(u,v)}{p(u)\cdotp(v)}$

• 设一共有 k 种特征。离线计算特征两两之间 MI，得到 kXk 的矩阵

• 随机选一个特征作为种子，找到种子最相关的 k/2 种特征。

• Mαsk 种子及其相关的飞/2 种特征’保留其余的 k/2 种特征。

• 好处：比 random mask、dropout、互补特征等方法效果更好。

• 坏处：方法复杂，实现的难度大’不容易维护。

训练模型

• 从全体物品中均匀抽样’得到 m 个物品，作为一个 batch
• 做两类特征变换，物品塔输出两组向量：
  • $b_1',b_2',\cdots,b_m'$ 和 $b_1'',b_2'',\cdots,b_m''$
• 第 $i$ 个物品的损失函数：
  • $L_{self}[i]=-\log(\frac{\exp(\cos(b_i',b_i''))}{\sum_{j=1}^m\exp(\cos(b_i',b_j''))})$
• 做梯度下降，减小损失函数：
  • $\frac{1}{m}\sum_{i=1}^nL_{self}[i]$

训练模型

• 对点击做随机抽样，得到几对用户一物品二元组，作为一个 batch。
• 从全体物品中均匀抽样，得到 m 个物品，作为一个 batch。
• 做梯度下降，使得损失减小：
  • $\frac{1}{n}\sum_{i=1}^nL_{main}[i]+\alpha\cdot\frac{1}{m}\sum_{i=1}^nL_{self}[i]$
  • 双塔模型的损失，自监督学习的损失

总结

• 双塔模型学不好低曝光物品的向量表征。
• 自监督学习：
  • 对物品做随机特征变换
  • 特征向量$b_i'$和$b_i''$相似度高（相同物品）
  • 特征向量$b_i'$和$b_j''$相似度低（不同物品）
• 实验效果：低曝光物品、新物品的推荐变得更准