歌曲推荐系统实践:Pandas、SciPy 和 D3.js

  • 张天雷

2015 年 5 月 7 日

话题:语言 & 开发架构

时至今日,虽然海量数据、大数据、数据挖掘、个性化等名词术语已耳熟能详,仿佛谁人两两遇到都可以轻易写个挖掘系统出来,但情况真的是这样么? Flipboard 数据产品部门的工程师 Ben Frederickson 在与友人的讨论中就发现,写个推荐系统并没有那么轻而易举,为此他专门写了一篇博文来记录自己实现的整个过程,利用的工具是数据挖掘领域很热门的PandasSciPy函数库,最后使用D3.js进行交互和可视化,相关的代码都放在了GitHub上。

具体来讲,一个推荐系统包括数据的获取和存储,相似度的计算以及最终结果的可视化,下面分别阐述。

数据获取

Ben 的推荐系统是针对 Last.fm 用户的,所用数据集是通过 Last.fm 的 API 获取的大约 36 万用户对歌手的喜爱程度。程度以用户对该歌手的播放次数为指标,数据集大小在 1 千 7 百万左右。想要在程序中使用这个数据集,ben 通过 Python 数据挖掘工具 Pandas 的 read_table 将 csv 格式的数据导入成为表格。

data = pandas.read_table("usersha1-artmbid-artname-plays.tsv", 
                         usecols=[0, 2, 3], 
                         names=['user', 'artist', 'plays'])

将数据加载为表格以后,剩下的任务就是计算相似度了,ben 给出了三种相似度的计算方法,分别是简单的相似度计算,余弦相似度和来自信息学的相似度计算,并给出了各类方法最后的可视化比较。

简单相似度

简单相似度计算,顾名思义,是最简单的相似度计算方法,用来计算两个歌手的相似程度。这种计算方法,忽略歌手被用户播放的次数,只是简单计算两个歌手重叠的用户数目。

def overlap(a, b):
    return len(a.intersection(b))

这种计算方法的问题在于,那些流行的歌手的存在,会极大影响相似度的准确性。例如几乎每个用户都听过 Radiohead、Coldplay 和披头士,这使得简单相似度方法给出的答案里面,越是流行的歌手越相似。

为了解决这个问题,ben 引入了新的相似度定义,Jaccard 相似度,利用数据挖掘中常用的正则化(Normalize)手段,将简单相似度正则化,消除用户数目对歌手相似度的影响,具体计算方法如下:

def jaccard(a, b):
    intersection = float(len(a.intersection(b)))
    return intersection / (len(a) + len(b) - intersection)

类似的正则化方法还有很多,比如 Dice 正则和 Ochiai 正则等,从一定程度上改善了相似度计算的准确性,但也带来了一点问题,即集合大小相近的歌手会更加相似,ben 觉得这样也并不合理,因此进一步提出了使用余弦相似度。

余弦相似度

上文中提到的简单相似度抛弃了用户对歌手播放次数这一重要信息,实际上它代表了用户对该歌手的喜爱程度,细想一下是非常有道理的,一个披头士的重度听众怎么能够跟听过寥寥几曲的听众一样呢?那么,利用上播放次数这一信息最直接的办法,就是余弦相似度方法,计算公式如下:

def cosine(a, b):
    return dot(a, b.T)[0, 0] / (norm2(a) * norm2(b))

通过上面公式,我们就可以将播放次数引入到相似度的计算中。公式中的 a 和 b 分别代表歌手的听众向量,通过下面的代码构造生成:

# map each username to a unique numeric value
userids = defaultdict(lambda: len(userids))
data['userid'] = data['user'].map(userids.__getitem__)

# map each artist to a sparse vector of their users
artists = dict((artist, csr_matrix(
                (group['plays'], (zeros(len(group)), group['userid'])),
                shape=[1, len(userids)]))
        for artist, group in data.groupby('artist'))

来自信息学的相似度

除了单纯利用播放次数以外,ben 还介绍了来自信息学的,确切来讲是来自搜索引擎中常用的自然语言处理技术,来计算歌手之间的相似度,即词频 - 逆文档频率(TF-IDF)作为向量的相似度计算方法。

这种相似度的发明,来自搜索引擎对检索结果排序的需求,即计算检索关键词与检索返回的文档之间的相似程度。具体来讲,如果某个词语在一个描述语句中出现的频率很高(TF 很高),而在其他描述语句中很少出现(IDF 很高),则认为该词语具有很好的区分文档的能力,其 TF-IDF 值就比较高,那么对应到歌曲推荐这个任务来讲,ben 将用户(听众)看作一个个的单词,来进一步考虑特定用户对相似度准确性的影响,可谓是三种方法中比较准确的一个了,ben 还在原文中用 D3.js 给出了几种相似度的效果对比分析。

总结

在专业术语充斥耳畔的今天,能够有耐心真正自己去尝试一些想当然的东西、算法甚至系统,是非常难能可贵的精神,而收获也是非常丰富的。Ben 以 Python 中常用的 Pandas 和 SciPy 等工具,展现了从头实现一个推荐系统的方法,正是这种精神的实践典范。


感谢崔康对本文的审校。

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