[PML 37] C5S5 推荐系统评估

2022-03-18 本文已影响0人数科每日

到目前为止，我们一直使用 squared errors 的和作为评价推荐系统的指标。但是这样做有一定的缺陷。比如：推荐系统每次都会选出一批商品，进行排序后推荐给用户。只要用户需要的商品被放在了顶部（前几名/首页），其实排名的先后顺序并没有太大关系。除此以外，还有一些其他因素：

可见性： 对于 MSE，把5星评价预测成4星的错误，小于把3星评价预测成1星评价的错误。但在实际场景中，后者的错误并不重要，因为他们都不会被推荐给用户，这种错误根本就不会对用户产生什么影响。
顺序： 如果有 A,B 两个商品，他们真实的评价分别为 $R_{true}(A) = 3, R_{true}(B) = 3.5$ ，假设模型1给出的预测为: $R_{m1}(A) = 4, R_{m1}(B) = 4.5$ , 模型2给出的预测为： $R_{m2}(A) = 3.5, R_{m2}(B) = 3$ 。对于MES，模型1的error 更大(每个预测误差1)，模型2的error 更小（每个预测误差0.5）。但是模型1对结果的影响更小，因为它不会改变 A，B 的相对顺序。
误差分布: 使用 MSE 的时候，我们有个潜在的假设，即误差是正态分布的， outlier 应该是很罕见的，因此会被重点惩罚(outlier 的MSE 值更大)。而在实际中， outlier 可能比较常见，误差的分布也可能不是正态分布，而是双峰分布。
人气偏差(popularity bias): (Precision-oriented evaluation of recommender systems: An algorithmic comparison, 2011) MES 会引导模型在人气商品上给出比较好的结果，而对于冷门商品的性能就会比较差。

这些问题引起了人们的疑问：即均方误差(MSE)的减少是否实际上对应着推荐系统变得更好。有趣的是，(. Collaborative filtering with temporal dynamics, 2009) 报告说，基于 temporally-evolving bias 的精心实现的模型优于 Netflix 之前的基于RMSE的解决方案（Cinematch）。尤其对于没有任何交互信息的推荐系统，推荐的只能是热门商品；对于这种系统，更好的 MSE 未必对应着更好的推荐结果。

基于上述一些问题，有些人建议使用其他回归型指标，例如平均绝对误差(Mean Absolute Error)，它（例如）对异常值不太敏感。也有人建议，也许应该把推荐系统按照排名问题进行评估，而不是像回归问题那样评估。也就是说，只要符合用户兴趣排序即可，预测的精确度并不重要。

可以说，对此类问题的研究正在转向依赖隐式反馈（点击、购买等）而不是rating 的均方误差；或者说，这些新的方法可能更可取，因为这样的数据比明确的评分更可用（很少有用户对商品进行评分，但每个用户都会点击它们）。更粗略地说，与预测用户的评价相比，优化点击或购买可能更接近于业务目标。

之前我们也谈到了针对排名进行优化的度量方法，即 AUC。从概念上讲，AUC 反映了我们猜测两个项目中哪一个是“相关的”的能力：AUC 为 1意味着我们总是选择正确的项目，而 0.5 的 AUC 意味着我们的猜测等同于随机。

然而，AUC 只是对排名进行优化的一种选择。当考虑通过UI界面向用户反馈推荐结果时，我们可能对推荐系统在对Top K 的排名表现特别感兴趣，因为这些商品会最终呈现给用户。

下面我们介绍一些评估函数来衡量推荐系统性能，其中大部分都专注于在寻找Top K的项目中实现比较高的精度。

5.4.1 TopK 的精度与召回率 (Precision & Recall @K)

既然相对 TopK 的推荐进行优化，最直接的想法就是考察 TopK 商品的 Precision 和 Recall。为了简单，我们使用记号 $rank_{u}(i)$ 来代表，商品 $i$ 对用户 $u$ 的排名; $f(u,i)$ 是预测用户对商品喜爱度的函数，对于 $\operatorname{rank}_{u}(i) \in\{1 \ldots N\}$ 有:

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对于测试集中，用户u 的交互数据 $I_{u}$ , 定义针对用户u 的 TopK precision: $precision@K(u)$ 为:

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那么, 对于所有用户， $precision@K$ 为:

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类似的， $recall@K$ 可以定义为:

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5.4.2 Mean Reciprocal Rank (MRR)

MRR 是另外一种基于排序的评价指标，不同于 $recall@K$ , MRR 不需要预先指定 $K$ 值，它会自动的对于高排名的商品基于更多的关注。在搜索问题中， MRR 被定义为，在返回的列表中，第一个用户关心的结果的排序（最高排序）。在推荐问题中，我们可以让 test set 中只包括 1 个用户关心的结果。那么 Mean Reciprocal Rank 可以定义为：

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$MRR=1$ 代表用户关注的商品每次都被推荐到了第一位，而 $MRR=\frac{1}{n}$ 代表用户关注的商品平均都被推荐到了第 n 名。

5.4.3 累积增益 (Cumulative Gain) 和 NGCG

$\text{Cumulative Gain}$ 旨在用用户浏览搜索结果时的行为，来评价推荐系统的好坏：用户希望相关的结果能够尽可能的排在前面（Top K）。 $\text{Cumulative Gain}$ 其实就是统计再 Top K 的结果中，有多少记录是用户想要的：

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$y_{u,i}$ 要么是一个二元的标签(是否购买)，或者是一个数值型的评分（rating）。如果用户想要的商品都排在前面，那么 $\text{Cumulative Gain}$ 的分数就会更高。

Discounted Cumulative Gain (DCG) 进一步考虑到，在用户想要的结果中，也有会优先级(更想要的 vs 一般想要的) ，因此，可以基于 rank 再进一步的优化:

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为了能够标准化结果，通常我们会让 DCG 除以一个理想化的结果 (以最理想的结果为尺子，来衡量当前结果)，这样就得到 Normalized Discounted Cumulative Gain (NDCG):

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其中 $\text{IDGC@K}$ 是理想化的 DCG，也就是说，它来源于一个最理想化的排序算法 $\operatorname{rank}_{u}^{\mathrm{opt}}(i)$ (例如，按照答案，对结果进行排序) 。(A theoretical analysis of NDCG type ranking measures, 2013) 介绍了这个方法，并且解释了为什么要用在公式中使用 Log运算。

5.4.4 除了精确度，其他需要考虑的指标

最后，应该注意的是，除了针对用户的直接效用（即预测用户下一个动作）之外，我们可能还希望推荐系统具有其他几个品质。例如，我们可能有兴趣让用户了解不同的观点，确保推荐不会偏向某些群体，用户不会被推向“极端”内容等。当我们考虑个性化机器学习的更广泛后果和伦理时，我们将在第 10 章重新讨论这些问题。其中一些已经得到了研究的支持。