推荐系统实战--movieslens数据集实现UserCF算法

UserCF：UserCollaborationFilter，基于用户的协同过滤

算法核心思想：在一个在线推荐系统中，当用户A需要个性化推荐时，可以先找到和他有相似兴趣的其它用户，然后把那些用户喜欢的、而用户A没有听说过的物品推荐给A，这种方法称为基于用户的协同过滤算法。

可以看出，这个算法主要包括两步：

一、找到和目标用户兴趣相似的用户集合——计算两个用户的兴趣相似度

二、找到这个集合中的用户喜欢的，且目标用户没有听说过的物品推荐给目标用户——找出物品推荐

下面分别来看如何实现这两步：

一、计算两个用户的兴趣相似度：

给定用户u和用户v，令N(u)表示用户u感兴趣的物品集合，N(v)表示用户v感兴趣的物品集合，那么可以通过Jaccard公式或者通过余弦相似度公式计算：

...Jaccard公式

...余弦相似度公式

举例：下图表示用户A对物品{a,b,d}有过行为，用户B对物品{a,c}有过行为

利用余弦相似度计算可得：

用户A和用户B的兴趣相似度为：

(cosθ = X * y /(||X|| * ||y||)) 也就是X * y = ||X|| * ||y|| * cosθ 这个公式推导得出

同理，

但是，需要注意的是，这种方法的时间复杂度是O(U^2)，因为我们需要计算每一对用户之间的相似度，事实上，很多用户相互之间并没有对同样的物品产生过行为，所以很多时候当分子为0的时候没有必要再去计算分母，所以这里可以优化：即首先计算出|N(u) 并 N(v)| != 0 的用户对(u,v)，然后对这种情况计算分母以得到两个用户的相似度。

针对此优化，需要2步：

（1）建立物品到用户的倒查表T，表示该物品被哪些用户产生过行为；

（2）根据倒查表T，建立用户相似度矩阵W：在T中，对于每一个物品i，设其对应的用户为j,k，在W中，更新相应的元素值，w[j][k]=w[j][k]+1，w[k][j]=w[k][j]+1，以此类推，扫描完倒查表T中的所有物品后，就可以得到最终的用户相似度矩阵W，这里的W是余弦相似度中的分子部分，然后将W除以分母可以得到最终的用户兴趣相似度。

针对此优化，需要2步：

（1）建立物品到用户的倒查表T，表示该物品被哪些用户产生过行为；

得到用户相似度后，就可以进行第二步了。

二、给用户推荐和他兴趣最相似的K个用户喜欢的物品。

公式如下：

其中，p(u,i)表示用户u对物品i的感兴趣程度，S(u,k)表示和用户u兴趣最接近的K个用户，N(i)表示对物品i有过行为的用户集合，Wuv表示用户u和用户v的兴趣相似度，Rvi表示用户v对物品i的兴趣（这里简化，所有的Rvi都等于1）。

根据UserCF算法，可以算出，用户A对物品c、e的兴趣是：

以上就是UserCF最简单的实现方法。

我们还可以在此基础上进行改进，改进思想是：两个用户对冷门物品采取过同样的行为更能说明他们兴趣的相似度。

比如，两个用户都买过《新华词典》并不能说明两个人的兴趣相似，而如果两个人都买过《数据挖掘导论》则可以认为他们的兴趣相似。

==>公式如下：

可以看到，如果一个物品被大多数人有过行为，则这样的信息参考价值不大，权重变小。

以上内容参考自《推荐系统实践》

代码如下：

1.形成数据集

import numpy as np
import pandas as pd
import math#形成用户-电影评分数据集
ratingsDF = pd.DataFrame({'userId':[1,1,1,1,1,1,1,2,2,2,2,2,2,2,3,3,3,3,3,3,3,4,4,4,4,4,4,4],'movieId':[1,2,3,4,5,6,7,1,2,3,4,5,6,7,1,2,3,4,5,6,7,1,2,3,4,5,6,7],'rating':[5,0,3,4,5,0,0,3,0,3,0,2,3,4,0,0,2,0,4,3,0,3,5,0,0,2,0,4,]
})#形成电影ID-名称数据集
moviesDF = pd.DataFrame({'movieId':[1,2,3,4,5,6,7],'title':['蝙蝠侠','闪电侠','蜘蛛侠','火影忍者','死神','超人','复仇者联盟']
})

2.处理数据形成一个用户ID-电影ID透析表

ratingsPivotDF = np.pivot_table(ratingsDF,index='userId',columns='movieId',,values='rating',fill_values=0)ratingsPivotDF

3.形成一个userId字典和movieI字典

userIdDict = dict(ratingPivotDF.index)
movieIdDict = dict(ratingPivotDF.columns)

4.计算相似度公式

ratingValues = ratingsPivotDF.values.tolist()
def colCosineSimilarity(list1,list2):res = 0mol =0den1 = 0den2 = 0for val1,val2 in zip(list1,list2):mol += val1 * val2den1 += math.sqrt(val1**2)den2 += math.sqrt(val2**2)res = mol / (den1 * den2)rerurn res

5.计算相似度

#设计一个 4*4大小的矩阵保存相似度
## 随后，需要计算用户之间的相似度矩阵，对于用户相似度矩阵，这是一个对称矩阵，同时对角线的元素为0，所#以我们只需要计算上三角矩阵的值即可：
userSimMatrix = np.zeros((len(ratingValues),len(ratingValues)),dtype=np.float32)for i in range(len(ratingValues)-1):for j in range(i+1,len(ratingValues)):userSimMatrix[i,j] = calCosineSimelarity[i,j]userSimMatrix[j,i] = userSimMatrix[i,j]

6.排序相似度

# 接下来，我们要找到与每个用户最相近的K个用户，用这K个用户的喜好来对目标用户进行物品推荐
#如果数据大，可以取前K个
# 下面的代码用来计算与每个用户最相近的所有用户：
userMostSimDict = dict()
for i in range(len(ratingValues)):userMostSimDict = sorted(enumerate(userSimMatrix[i]),key=lambda x:x[1],revers=True)

7.利用公式计算兴趣度

from IPython.display import Image
Image(filename='recommenderSystem.png')

#通过上面的公式获得用户U对电影i的兴趣分，如果评过分说明对这部电影兴趣分为0。
#其中，p(u,i)表示用户u对物品i的感兴趣程度，S(u,k)表示和用户u兴趣最接近的K个用户，N(i)表示对物品i有#过行为的用户集合
#Wuv表示用户u和用户v的兴趣相似度，Rvi表示用户v对物品i的兴趣userRecommendValues = np.zeros((len(ratingValues),len(ratingValues[0])),dtype=np.float32)#从第i个人开始
for i in range(len(ratingValues)):#从第j部电影开始for j in range(len(ratingValues[i])):#如果第i个人对第j部电影没有评分，则表明有兴趣if ratingValues[i,j] == 0:val = 0#第i个人对第j部电影的兴趣度 = 前k个相似的人的相似度sim * 这k个人对电影的评分for userId,sim in userMostSimDict:val += sim * ratingValues[userId,j]#得到最终的兴趣分，也就是计算出的对电影的评分userRecommendValues[i][j] = val

8.开始推荐电影

排序兴趣度表，哪部电影兴趣度越大，那部排名越靠前

#接下来，我们为每个用户推荐电影：#获得一个从大到小排列的兴趣分的矩阵userRecommendDict = dict()for i in range(len(ratingValues)):userRecommendDict[i] = sorted(enumerate(list(userRecommendValues[i])),key=lambda x:x[1],reverse=True)

9.获得推荐的具体结果

# 将推荐的结果转换为推荐列表之后，我们将推荐结果转换为二元组，
# 这里要注意的是，我们一直使用的是索引，
# 我们需要将索引的用户id和电影id转换为真正的用户id和电影id，
# 这里我们前面定义的两个map就派上用场了：
userRecommendList = []
#遍历获得的推荐矩阵中的键值对，获得用户u对每部电影i的键值对
for userId,value in userRecommendDict.items():#用户为用户字典中的用户user = usersMap[userId]#遍历得到的值，中存储电影id和兴趣分for movieId,Pui in value:#如果对某部电影有兴趣分，则推荐这部电影if Pui != 0:userRecommendList.append([user,moviesMap[movieId]])

#最后一步，我们将推荐结果的电影id转换成对应的电影名，并打印结果：
recommendDF = pd.DataFrame(userRecommendList,columns = ['userId','movieId'])

recommendDF = pd.merge(recommendDF,moviesDF,on='movieId',how='left')

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