深度学习在 CTR 中应用

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作者：高航

一. Wide&&Deep 模型

首先给出Wide && Deep [1] 网络结构:

本质上是线性模型(左边部分, Wide model)和DNN的融合(右边部分,Deep Model)。

推荐系统需要解决两个问题:

记忆性: 比如通过历史数据知道”麻雀会飞”，”鸽子会飞”

泛化性: 推断在历史数据中从未见过的情形，”带翅膀的动物会飞”

WideDeep是怎么解决这两个问题呢？

Wide模型:

比如现在有一个点餐推荐APP，我输入炸鸡(query)，那么会给我进行推荐其他相关的食物(item)，那么模型目地就是为了希望知道给定了query, 消费item的概率， 即: P(消费| query, item). 那我们就可以通过构建出一系列(query, item)的cross 特征， 通过LR去学习到这些不同的cross特征与target = 消费 的相关性。比如(query = “炸鸡”, item = “啤酒”) 与target = 消费 ,通过历史数据学习到有很强的相关性，那么就推荐给炸鸡。

Deep模型:

现在我厌倦了推荐的结果，希望推一些让我惊喜的食物，上面的wide模型，我们构建的cross特征也是有限的，不能面面俱到，cross特征或许可以是三个类别，四个类别。所以，需要deep模型自动帮我们做一些特征。每个特征可以映射到一个低维空间去，学习到一个低维dense的表达(embedding vector)。 那么给定一个query, 我们可以在embedding space中找距离相近的item， 认为是潜在喜欢的item

Wide模型与Deep模型的结合，目的是为了平衡记忆性和泛化性的结果.

二. FNN，SNN 模型

和wide deep出发点一样， 一些线性模型LR很难学到非线性表达， 非线性模型比如FM, GBDT又很难学到所有的特征组合方式。那么，如何利用DNN去自动学习到特征表达，自动去学习到特征之间的交叉呢？

FNN模型结构[2]:

首先需要对category特征进行一个one-hot编码。

l1, l2层都是隐藏层，那么， dense real layer 就可以看作一个embedding层， 每个field 分别 对应一个embedding的过程。通常，使用FM去初始化这些参数往往能够更快地收敛，最大限制避免训练过程中陷入局部最小，以及得到更好的结果。可以看到，FNN其实就是widedeep模型的deep部分，但是FNN有用FM进行一个参数初始化的过程。

SNN模型结构:

SNN和FNN模型区别于最底层的训练方法， FNN最底层先用FM初始化，可以看到，SNN最底层是全连接的，不区分不同的field。 初始化采用RBM(限制玻尔兹曼机) 和 DAE(自动编码机)。

训练过程中，没有每轮迭代都会用到所有的特征，对为0的单元进行一个下采样操作，图中黑色的单元即是没有被选取到，不参与参数迭代。计算复杂度得到大量的减少。

文章在iPinYou数据集上进行评测，可以看到FNN效果优于FM，LR。

文章对调参也给出了一些经验

1. 网络结构，通常，钻石型的网络结构往往优于其他结构
   1. 隐藏层单元数不是越高越好，中间有一个临界值达到最优.
2. Dropout在数据量本来就很稀疏的情况下尽量不用，不同的数据集dropout表现差距比较大。

三. PNN 模型

PNN[3]的网络结构:

PNN的结构的思想相比于WideDeep模型核心改动地方在对于embedding后的dense feature，增加了两两交叉的功能，widedeep是embedding feature全部输入到隐藏层了。不同field经过Embedding后的特征做点击运算其实就相当于FM，那么PNN认为首先需要确保学习到这些交叉特征，再去额外交给DNN去学习更复杂的交叉特征。那么PNN结构其实相当于FM+DEEP。

再说下网络细节: Embedding layer 和Wide Deep模型是一样的， 不同field特征映射到了一个embedding的空间上，这时，不是所有的特征直接送到一个NN网络里面去，这里分成两个部分z 和p。 z部分直接就是原始的embedding特征不变; P部分是embedding特征两两做内积运算，达到FM的效果，接下来z和p拼接成一个vector， 送到一个NN网络里面，最后softmax输出概率值。

四. DeepFM 模型

DeepFM[4]的网络结构:

可以看到，很像PNN结构，只是在这里FM没有和原始特征一起送到NN中去训练，而是单独拿出来类似于WIDE模型。其实就是WideDeep模型中Wide侧替换为FM。

五. NFM 模型

NFM模型[5]的网络结构:

首先，也是经过全连接得到embedding层，输入是

分别是不同特征对应的相同维数的embedding向量。接下来，这些embedding向量两两做element-wise的相乘运算得到B-interaction layer。(element-wide运算举例: (1,2,3)element-wide相乘(4,5,6)结果是(4,10,18)。)

该B-interaction Layer 得到的是一个和embedding维数相同的向量。然后后面接几个隐藏层输出结果。

为什么这么做呢？首先看如果B-interaction layer后面不接隐藏层，直接把向量的元素相加输出结果(对应下面的公式h=(1,1,1,...,1)) , 就是一个FM， 就好比一个线性模型，权重都是1 :

现在后面增加了隐藏层，相当于做了更高阶的FM，更加增强了非线性表达能力。

六. AFM 模型

AFM模型[6]的网络结构:

AFM是NFM模型的一个改进， 在传统FM模型中，使用二阶交叉特征得到非线性表达能力，但是不是所有的特征交叉都会有预测能力，很多无用的特征交叉加入后反而会相当于加入了噪声。

因此，在这个模型中，加入了Attention Net 机制，aij表示特征i,j交叉的权重。计算方式如下: 经过一个attention net的隐藏层，得到该特征交叉的权重

最后的预测方式和NFM类似， 当P=(1,1,1,...,1)，是加了权重的FM， 后面也可以和NFM一样增加隐藏层，得到更高阶特征的表达能力。

结语: 没有万能的模型，针对不同的业务可能需要选择不同的模型，比如如果需要解释能力强的，那么不妨选择AFM模型， Wide Deep实际中应用比较广，效果也可以，但是很难定位问题，也难分析Deep侧的特征重要性。同时网络结构需要不断尝试，或许我们都可以embedding到一个固定的维数后，可以把这个embedding特征当作图像来做，做卷积，pooling, 说不定有惊喜，达到去噪声的目的。

参考文献

[1] Cheng H T, Koc L, Harmsen J, et al. Wide & Deep Learning for Recommender Systems[J]. 2016:7-10.

[2] Zhang, Weinan, T. Du, and J. Wang. "Deep Learning over Multi-field Categorical Data: A Case Study on User Response Prediction." (2016).

[3] Qu Y, Cai H, Ren K, et al. Product-Based Neural Networks for User Response Prediction[J]. 2016:1149-1154.

[4] Guo H, Tang R, Ye Y, et al. DeepFM: A Factorization-Machine based Neural Network for CTR Prediction[J]. 2017.

[5] He X, Chua T S. Neural Factorization Machines for Sparse Predictive Analytics[J]. 2017.

[6] Xiao J, Ye H, He X, et al. Attentional factorization machines: Learning the weight of feature interactions via attention networks[C]. IJCAI, 2017.

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