序列推荐(transformer)

Posted 2020-12-13 arachis

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了序列推荐(transformer)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

Attention演进(RNN&LSTM&GRU&Seq2Seq + Attention机制)
Attention机制(self-attention)
序列建模有哪些经典论文？
SDM论文笔记

Attention演进(RNN&LSTM&GRU&Seq2Seq + Attention机制)

LSTM

LSTM是RNN的一种变体，RNN由于梯度消失只有短期记忆，而LSTM网络通过精妙的门控制，一定程度上缓解了梯度消失的问题。
LSTM得神经网络模块具有不同的结构，LSTM包含遗忘门、输入门和输出门，增加了非线性的相互作用。整体结构如图所示：
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遗忘门:( f_{t}=sigmaleft(W_{f} cdotleft[h_{t-1}, x_{t} ight]+b_{f} ight) )

输入门:( egin{array}{l} i_{t}=sigmaleft(W_{i} cdotleft[h_{t-1}, x_{t} ight]+b_{i} ight) end{array} )

cell state更新:
( ilde{C_t}= anh left(W_{C} cdotleft[h_{t-1}, x_{t} ight]+b_{C} ight))
(C_{t}=f_{t} * C_{t-1}+i_{t} * ilde{C}_{t})

输出门:( egin{array}{l} o_{t}=sigmaleft(W_{o}left[h_{t-1}, x_{t} ight]+b_{o} ight) end{array} )

当前层输出:( egin{array}{l} h_{t}=o_{t} * anh left(C_{t} ight) end{array} )

GRU

GRU是LSTM的一种变体，也是为了解决梯度消失（即长期记忆问题）而提出来的。相较于LSTM，GRU的网络结构更加简单，且效果很好。

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Seq2Seq + Attention机制

提出问题：在做机器翻译时，专家学者们发现，在Seq2Seq结构中，Encoder把所有的输入序列都编码成一个统一的语义向量context，然后再由Decoder解码。其中，context自然也就成了限制模型性能的瓶颈，当要翻译的句子较长时，一个 context 可能存不下那么多信息。同时，只使用编码器的最后一个隐藏层状态，似乎不是很合理。

解决方案：因此，引入了Attention机制（将有限的认知资源集中到最重要的地方）。在生成 Target 序列的每个词时，用到的中间语义向量 context 是 Source 序列通过Encoder的隐藏层的加权和，而不是只用Encoder最后一个时刻的输出作为context，这样就能保证在解码不同词的时候，Source 序列对现在解码词的贡献是不一样的。例如，Decoder 在解码”machine”时，”机”和”器”提供的权重要更大一些，同样，在解码”learning”时，”学”和”习”提供的权重相应的会更大一些。

实现步骤：（1）衡量编码中第 j 阶段的隐含层状态和解码时第 i 阶段的相关性（有很多种打分方式，这里不细讲）；（2）通过相关性的打分为编码中的不同阶段分配不同的权重；（3）解码中第 i 阶段输入的语义向量context就来自于编码中不同阶段的隐含层状态的加权和。

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简单总结下：attention比rnn之类参数更少，速度更快(类似cnn可以并行化)，效果更好【1】；因为其过滤掉大部分无用信息，所以可以处理更长的序列；下面看下attention是如何建模完成信息过滤的。

Attention机制(self-attention)

Attention其实就是计算一种相关程度；Attention通常可以进行如下描述，表示为将query(Q)和key-value pairs映射到输出上，其中query、每个key、每个value都是向量，输出是V中所有values的加权，其中权重是由Query和每个key计算出来的，计算方法分为三步：
1)计算比较Q和K的相似度，用f来表示：

[fleft(Q, K_{i} ight) , i=1,2,3 ]

2)将得到的相似度进行softmax归一化：

[alpha_{i}=frac{e^{fleft(Q, K_{i} ight)}}{sum_{j=1}^{m} e^{fleft(Q, K_{i} ight)}}, i=1,2,3, . . ]

3)针对计算出来的权重，对所有的values进行加权求和，得到Attention向量：

[sum_{i=1}^m a_i V_i ]

变种之Memory-based Attention

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Q&A 任务中，k 是 question，v 是 answer，q 是新来的 question，看看历史 memory 中 q 和哪个 k 更相似，然后依葫芦画瓢，根据相似 k 对应的 v，合成当前 question 的 answer。

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模型的输入是一个稠密特征q，输出是一个特征向量v,向量v的计算是通过对每个embedding vector进行加权求和得到的;【2】

变种之Soft/Hard Attention

hard attention 是一个随机采样，采样集合是输入向量的集合，采样的概率分布即attention weight。因此，hard attention 的输出是某一个特定的输入向量。
soft attention 是一个带权求和的过程，求和集合是输入向量的集合，对应权重是相似度function 产出的 attention weight。

soft attention 是更常用的,下面讨论相似度function 【3】

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变种之self-attention

定义：Self Attention，指的不是Target和Source之间的Attention机制，而是Source内部元素之间或者Target内部元素之间发生的Attention机制，也可以理解为Target=Source这种特殊情况下的Attention。

Scaled Dot-Product Attention

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Dot-Product计算相似度

outputs = tf.matmul(Q,tf.transpose(K,[0,2,1]))
outputs = outputs / (K.get_shape().as_list()[-1] ** 0.5)

Encoder mask(主要是padding value平滑下)

key_masks = tf.sign(tf.abs(tf.reduce_sum(keys,axis=-1)))
key_masks = tf.tile(tf.expand_dims(key_masks,1),[1,tf.shape(queries)[1],1])
paddings = tf.ones_like(outputs) * (-2 ** 32 + 1)
outputs = tf.where(tf.equal(key_masks,0),paddings,outputs)

Decoder mask(padding value平滑+只能利用之前的输入约束)

diag_vals = tf.ones_like(outputs[0,:,:])
tril = tf.contrib.linalg.LinearOperatorTriL(diag_vals).to_dense()
masks = tf.tile(tf.expand_dims(tril,0),[tf.shape(outputs)[0],1,1])
paddings = tf.ones_like(masks) * (-2 ** 32 + 1)
outputs = tf.where(tf.equal(masks,0),paddings,outputs)

计算结果outputs

# scaled 
outputs = tf.nn.softmax(outputs)
# Query Mask
query_masks = tf.sign(tf.abs(tf.reduce_sum(queries,axis=-1)))
query_masks = tf.tile(tf.expand_dims(query_masks,-1),[1,1,tf.shape(keys)[1]])
outputs *= query_masks
# Dropout
outputs = tf.layers.dropout(outputs,rate = dropout_rate,training = tf.convert_to_tensor(is_training))
# Weighted sum
outputs = tf.matmul(outputs,V)
# Residual connection
outputs += queries
# Normalize
outputs = normalize(outputs)

Multi-Head Attention

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Multi-Head Attention就是把Scaled Dot-Product Attention的过程做H次，然后把输出concat合起来。

序列建模有哪些经典论文？

Next Item Recommendation with Self-Attention
Behavior Sequence Transformer for E-commerce Recommendation in Alibaba
Session-based recommendations with recurrent neural networks
Neural Attentive Session-based Recommendation
Translation-based Recommendation
BERT4Rec: Sequential Recommendation with Bidirectional Encoder Representations from Transformer
SHAN:Sequential Recommender System based on Hierarchical Attention Networks
BINN:Learning from history and present: next-item recommendation via discrimina-tively exploiting user behaviors

SDM论文笔记

回顾与引入(ABSTRACT+1,2两小节)

SDM：SDM: Sequential Deep Matching Model for Online Large-scale Recommender System
在淘宝的场景中，用户的行为主要分为两种，第一个是当前的浏览session，用户在一个session中，需求往往是十分明确的，比如你想买球鞋，往往只会关注球鞋类的商品。另一个是之前的记录，一个用户虽然可能不是每次都来买球鞋，但是也可能提供一定的有用信息，比如用户只买阿迪的鞋子或者只买帆布鞋等等。因此分别建模这两种行为序列来刻画用户的兴趣，是十分有用的。

提出问题：1)CF类方法并未建模用户的兴趣的动态性和兴趣随时间的演化过程(DSIN)；2)一个session内也可能存在多种兴趣倾向(feed的多个维度);3)长期偏好和短期偏好没很好融合

我对动态性/静态性的理解:1）icf是取topk相似的item,然后i2i推荐,相当于仅利用了分布的头部部分；2)传统的embedding建模假设用户的兴趣是长久稳定的和集中的，不随时间和context变化；所以相对的就是动态多兴趣的假设
我对多兴趣倾向的理解:文章中主要是提出电商场景下用户会综合商品的多个角度，也就是多兴趣观点;个人在双列feed的关注点基本1)萌宠/美女类型2)订阅科技/影视作者；还有可能关注封面；同时全局类策略一般不看

解决方案：提出multi-head attention和Gate自适应长短期融合

multi-head attention主要有两点原因：
1）用户的行为中存在一些误点击行为，通过self-attention来降低这种影响；
2）用户可能对不同物品的关注点不同。

Gate自适应长短期融合的原因：
之前简单将item concat或者weighted sum的工作，因为用户找了很久才找到和NBA明星相关的球鞋,其他item反而是噪音；本工作对应的模块是类似lstm的长短期向量门融合模块可以避免这种噪音干扰；

建模&模型架构/结构(第3节)

长期序列：相隔一周以内的行为认为是用户的长期行为(不包含短期序列)
短期序列：
1）日志中标记了同样的session ID
2）虽然session ID不相同，但是相邻的行为间隔小于10min
3）最长的session长度为50，超过50的划分到前一个session

这里论文没给出规则2,3的原因，推测还是阿里这边数据分析的经验；
sdk埋点中session_id定义：应用进入前台生成session_id,退至后台10秒以上重新进入前台重新生成session_id

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在长期行为中挖掘用户对商品属性的偏好（如类目、品牌、店铺等），在短期行为中结合Multi-Head Self-Attention过滤掉session内部的casual click，并利用Multi-Head挖掘用户在session内的多方面兴趣，最后构造Gate自适应的融合长短期兴趣得到用户兴趣的充分表达。

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