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Conjunto de scripts para treinar um Sistema de Recomendação Híbrido baseado nos algoritmos do scikit-learn
Python
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hybrid-rs-trainner

Treine suas engines de recomendação with zero code! :)

Sumário

Sistemas de Recomendação

Essse repositório contém um conjunto de scripts com a finalidade de treinar um Sistema de Recomendação Híbrido -Collaborative Filtering (CF) e Content-Based Filtering (CBF)- genérico o suficiente para fazer recomendações para de itens para usuários (conhecidos ou novos).

Collaborative Filtering

É uma das taxonomias (bastante comum) utilizadas para distinguir os Sistemas de Recomendação. A premissa básica por trás da CF é a de que se um usuário u1 é semelhante a um usuário u2 com base em conteúdo colaborativo, então pode-se gerar recomendações para o usuário u2 com base no usuário u1.

Para explicar melhor, imagina-se a seguinte situação:

  • Usuário u1 tem 18 anos e solteiro

  • Usuário u2 tem 33 anos e é casado

  • Usuário u3 tem 21 anos e é solteiro

  • Usuário u4 tem 19 anos e é casado

  • Usuário u5 tem 45 anos e é casado

  • u1 assiste os filmes Mercenários, Mercenários 2, Mercenários 3 e Atração Perigosa, Rambo

  • u2 assiste os filmes Mercenários, Mercenários 2, American PIE e Velozes e Furiosos, Se beber, não case

  • u3 assiste os filmes American PIE, Mercenários 2, Mercenários 3, Atração Perigosa

  • u4 assiste os filmes Mercenários, Mercenários 3 e Atração Perigosa, Rambo, American PIE, Se beber, não case, Velozes e Furiosos`

  • u5 não assiste nenhum filme ( Fica claro que o u3 é semelhante ao u1, pois eles assistiram 3 filmes iguais. Seguindo a premissa da CF, um dos filmes recomendados para o usuário u3 seria Mercenários.

Content-Based Filtering

Assim como a CF é uma taxonomia para distinguir os Sistemas de Recomendação. Esta, por sua vez, faz o estudo de ténicas para gerar recomendações para usuários com base nas características dos mesmos. Geralmente é utilizada quando não há informações colaborativas (diga-se coletivas) a respeito de um item ou usuário. Desse modo, para u4 seria recomendado os filmes que u2 assistiu, pois com base nas características dos usuários (idade e estado civil) o u2 é o mais mais semelhante ao u4.

Hybrid Filtering

Os Sistemas de Recomendação Híbridos fazem uso tanto de técnicas presentes em CF, quanto em CBF. Na verdade, na maioria das vezes, tomam-se como prioridade as técnicas utilizadas na CF, e caso não haja informações a respeito (usuário ou item novo) utilizam-se técnicas de CBF.

Assim, um Sistema de Recomendação Híbrido seria capaz de gerar recomendações para todos os usuários disponíveis (u1, u2, u3, u4). Para o u3, por exemplo, seria recomendado Mercenários, e para o u5 seria recomendado os filmes que o u2 assistiu. Os Híbridos geralmente (almost like everything, não é há convenção na literatura) geram suas recomendações com base nas técnicas de CF, pois estas são mais efetivas (geramente), e caso não haja informações colaborativas, então usam-se técnicas de CBF.

Diferenças entre essas taxonomias

Diferentes técnicas de Inteligência Artificial (IA) são utilizadas para tratar esses problemas - em alguns casos é utilizado a mesma técnica em CF e CBF. O exemplo mais clássico disso é o uso de algoritmo KNearestNeighbor -. A principal distinção entre elas está no uso dos dados para gerar as recomendações - CF usa dados colaborativos para determinar a similaridade e gerar recomendações com base nos itens ou usuários mais similares, enquanto que CBF usa dados individuais para determinar as recomendações para os itens ou usuários mais similares -.

Escolha de técnicas para gerar recomendações

Evidentemente não há uma solução para comum para todos os casos. Cada problema é um problema, e como tal, deve ser tratado de forma singular. Portanto, para determinar qual técnica é melhor para um conjunto de dados (domínio), deve-se fazer uma análise dos dados e posteriormente a elaboração e validação de hipóteses.

Algumas das estratégias mais comuns para tratar o problemas de recomendação são:

  • Agrupamento
  • Classificação
  • Regressão
  • Com combinações das técnicas acima

Em alguns casos, foi tratado com o uso de técnicas de

  • Problema de Satisfação de Restrição (PSR)
  • Sistemas Especialistas
  • Raciocínio Baseado em Caso

Preparação do ambiente

Conforme mecionado anteriormente, esta library faz uso dos algoritmos presentes no scikit-learn, portanto, ela foi escrita em Python. Para executar o projeto, basta instalar a versão o Python 2.7.12 e adicionar o no Path da máquina - durante o desenvolvimetno deste projeto foi utilizado Anaconda 4.1.1 -, em seguida basta digitar o segunite comando no console: pip install -r [endereço do arquivo requirements que se encontra no diretório raíz do projeto]

Sobre a library

O objetivo desse projeto é fornecer um conjunto de scripts e implementações para treinar diferentes engines de Sistemas de Recomendação (CF, CBF ou híbrido) with zero zode :)

No momento essa library só suporta User-User Collaborative Filtering - uma matriz de usuários x itens, onde cada célula representa um rating de um usuário para um item -. As recomendações são geradas observando a similaridade entre os usuários.

No futuro será adicionada a features User-Item Collaborative Filtering - cria-se uma matriz de item x item, onde cada célula armazena a similaridade de um item i1com um i2. Nesse caso, para gerar as predições de i1, percorre-se a matriz e toma-se as recomendações dos itens mais semelhantes.

Além disso, as seguintes técnicas serão suportados:

  • classificação
  • regressão
  • outros algoritmos de agrupamento
  • e a combinação destes

Features suportadas

  • KNN (instance-based ou lazy learning) User User Collaborative Filtering

Features pendentes

  • KNN (instance-based ou lazy learning) Item-Item Collaborative Filtering
  • KNN CBF
  • Algoritmos de classificação
  • Algoritmos de regressão
  • Algoritmos de agrupamento

Funcionamento do algoritmo

Atualmente é suportado a recomendação baseada em filtragem colaborativa de usuário para usuário (User-User Collaborative Filtering). Para tal, cria-se uma matriz (a matriz foi binarizada por questões didáticas) onde as linhas são os usuários e as colunas os filmes. Se o usuário u assistiu o filme f, então o valor é 1. Do contrário é zero (não assistiu). Portanto, será criado uma matriz de ordem usuários x filmes.

O treinamento do algoritmo ocorre com o cálculo da distância de cada usuário em relação os outros. O cálculo é feito pela implementação escolhida do algoritmo KNN. Para fazer a predição (recomendação) é feito o cálculo dos k vizinhos mais próximos, e então é realizado a união entre as características (se o filme foi assistido ou não) desses vizinhos e então é gerado a recomendação (união das características dos k vizinhos).

A matriz está ilustrada abaixo:

   Mercenários | Mercenários 2 | Mercenários 3 | Atração Perigosa | Rambo | American PIE | Se beber, não case | Velozes e Furiosos
u1     1       |       1       |       1       |         1        |   1   |       0      |          0         |         0
u2     1       |       1       |       0       |         0        |   0   |       1      |          1         |         1
u3     0       |       1       |       1       |         1        |   0   |       1      |          0         |         0
u4     1       |       0       |       1       |         1        |   1   |       1      |          1         |         1
u5     0       |       0       |       0       |         0        |   0   |       0      |          0         |         0

Assim, usando o algoritmo com as configurações padrões e k=2, as recomendações para o u4 seriam:

D(u4, u1) = 4
D(u4, u2) = 4
D(u4, u3) = 5

u5 não foi utilizado no cálculo porque não há informação colaborativa a respeito dele.

Os k=2 vizinhos mais próximos são u1 e u2, logo as recomendações serão a união (nesssa library está implementado como união, porém no futur, será implementado outras estratégias, como por exemplo recomendar somente os filmes que possuem maior frequência - modas) das características desses vizinhos:

Recomendações = 

Mercenários | Mercenários 2 | Mercenários 3 | Atração Perigosa | Rambo | American PIE | Se beber, não case | Velozes e Furiosos  
    1       |       1       |       1       |         1        |   1   |       1      |          1         |         1

Como fazer o treinamento do algoritmo

Dentro do mesmo diretório onde o projeto foi clonado, basta digitar o comando python train_recommender.py passando os parâmetros disponíveis. Os parâmetros disponíveis são:

  • --distance-metric [metrica escolhida]. As métricas estão disponíveis aqui
  • --kfold [inteiro descrevendo o número de folds usado na validação cruzada]
  • --alg [o algoritmo utilizado para fazer o cálculo dos k vizinhos mais próxixos] disponível em
  • --n-neighbors [inteiro descrevendo o número de vizinhos mais próximos]
  • --top-items [número descrevendo o número dos top items para um usuário de acordo com sua relevância] (AINDA NÃO É SUPORTADO)
  • --leaf-size [inteiro que determina o número de nó folhas utilizado na poda] default: 30. Parâmetro só é utilizado quando quando --alg=kd_tree ou --alg=ball_tree
  • --weights [string definindo a função de peso utilizada na predição] default: 'uniform'. Mais informações
  • --p [inteiro definindo a potência utilizada para fazer o cálculo da distância] mais informações

Após o término do treinamento, será escolhido a versão com as melhores métricas e será salvo em disco. O nome do arquivo será user_user_cf_knn-[dia-mes-ano-hora-minuto-segundo].pkl. Além disso, também será gerado um log com o nome user_user_cf_knn-[dia-mes-ano-hora-minuto-segundo].log contendo as métricas coletadas durante o treinamento dos k modelos (kfolds).

REFERÊNCIAS

License

Copyright 2016 Senior Sistemas S.A.

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