因子分解机（Factorization Machine）-工具盒子

线性回归在建模的时候，只考虑到了单个特征的影响。但是有些场景下，添加组合特征（交叉特征）会给模型带来非常好的效果。线性回归

POLY2 算法（二阶多项式）在线性回归基础上添加组合特征 \( x_{i}x_{j}\)，并为每个组合特征配备了一个学习参数 \( w_{ij}\)，如下公式所示： POLY2

公式的第一部分就是简单的线性回归部分，第二部分则是 POLY2 算法增加的组合特征部分。需要注意的是第二部分的 ∑ 角标记分别为 i=1 和 j=i+1，为什么这么写？

这是因为组合特征 \(x_{i}x_{j}\) 和 \(x_{j}x_{i} \) 表示的组合特征含义是一样的，并且我们也不需要引入 \(x_{i}^2\) 这样的组合特征。如下图所示（我们只需要上三角，红色标注的组合特征）：

至此，我们就完成了给线性回归增加二阶特征的目标，增强了模型的拟合能力。但上面的模型还存在一个问题，如果我们的数据存在较多的类别特征，一般我们都会通过 one hot 对其进行处理，这就使得数据集维度变大，并且出现大量 0 的特征，使得数据集变得稀疏。

本来 one hot 就使得原本数据集变得稀疏，现在通过 POLY2 产生二阶特征中也会存在很多的 0，导致数据集更加稀疏，我们知道特征过于稀疏就会导致很多的权重无法得到有效的学习，如下图所示：原始数据集 one hot 编码数据集增加组合特征

红色为增加的组合特征，我们会发现组合出来的特征出现了大量的 0，导致原本的稀疏的数据变得更加稀疏。并且，二阶组合特征 \( x_{i}x_{j}\) 大量等于 0 时，会导致对参数 \( w_{ij}\) 估计变得非常困难。

FM 算法 {#title-0} ===================

Paper：https://www.csie.ntu.edu.tw/~b97053/paper/Rendle2010FM.pdf

针对 POLY2 算法的无法应对稀疏数据的缺点，FM 算法进行了改进，其公式表示如下：

FM 和 POLY2 变化的地方就是 \(w_{ij}\) 便成了 <\(w_i, w_j\)>，它表示向量 \(w_i\) 和 \(w_j\)的点积。这个变化简单理解的话，就是原本组合特征的参数是 \(w_{ij}\)，现在变成两个向量 \(w_{i}\) 和 \(w_{j}\)，要学习的参数更多了。

到这里的话，我就有两个问题：

\(w_{ij}\) 是如何变成 <\(w_i, w_j\)>?
将 \(w_{ij}\) 变为 <\(w_i, w_j\)> 是如何解决稀疏矩阵场景问题？

我们先理解第一个问题。在 POLY2 算法中，\(w_{ij}\) 的矩阵 W 表示如下：

当 k 足够大时，实对称半正定阵可以分解成 \(VV^T\) 的形式，即：

W 矩阵根据上面公式可以分解如下图所示（注意: k 为超参数，假设此处选择 k=3）：

例如：参数 \(w_{12}\) 就可以用分解后的矩阵表示如下：

这里用到了两个矩阵，其实我们只用 3✖️4 矩阵就可以表示，如下图所示：

上图中，每一列叫做对应特征的隐向量，我们一共有 4 个特征，所以这里出现了 4 列的隐向量。两列隐向量相乘再相加得到的结果就对应了 FM 公式中的参数 <\(w_i, w_j\)>。至此，我们应该能够知道： \(w_{ij}\) 是通过矩阵分解转换为 <\(w_i, w_j\)> 形式的。

转换成向量点积形式，如何解决稀疏场景的问题？

我是这么理解的：POLY2 形式中 \(w_{ij}\) 是一个独立的特征，如果样本中大量出现该特征，则较为容易学习到其权重参数，但在稀疏场景下，这一点变得不能现实。通过将权重参数分解为两个隐向量形式之后，会发现每个组合特征参数的估计都有其他的特征隐向量的参与，是不是就可以说多个组合特征之间建立起某种关联，虽然由于稀疏导致无法直接估计到当前特征的参数，但是通过其他关联的特征，间接对当前特征的参数进行了估计。

FFM 算法 {#title-1} ====================

FFM 算法 (Field-aware Factorization Machine) 是对 FM 算法的改进，其公式如下：

相对于 FM 算法的公式，变化如下：

从公式来看，仅仅是在隐向量中增加一个角标 \(f_{j}\) 和 \(f_{i}\)，这表示啥意思呢？

特征 A 的隐向量可以理解为当 A 特征与其他特征组合时所表达的信息，如果特征 A 与特征 B 组合、特征 A 与特征 C 组合时，A 表达的信息都是一样的。在很多情况下，A 和不同的特征组合在一起应该允许表达不同的含义。这就像某个词在不同的上下文里含义是可以不同的。但是，在 FM 算法中，每个特征只对应一个隐向量，导致模型表达能力稍微差那么点意思。

如果特征 "国籍=中国" 和 "性别=女" 组合特征，则将其对应位置的隐向量点乘作为参数，如果 "国籍=中国" 和 "年龄" 组合特征，使用的隐向量都是一样的。

FFM 引入了 FIELD 的概念，使得特征对应多个隐向量，这就使得特征组合的表达能力得到很大的提升。如下图所示：

如果特征 "国籍=中国" 和 "性别=女" 组合特征，则将 "国籍=中国" 特征对应的隐向量集合中 "性别 FIELD" 的隐向量取出来，和 "性别=男" 特征对应的多个隐向量集合中 "国籍 FIELD" 的隐向量点乘作为参数。
如果特征 "国籍=中国" 和 "年龄" 组合特征，则将 "国籍=中国" 特征对应的隐向量集合中 "年龄" 的隐向量取出来，和 "年龄" 特征对应的多个隐向量集合中 "国籍=中国" 的隐向量点乘作为参数。

至此，已经能够大概理解 FFM 算法相对于 FM 算法做的改进之处了。最后，需要回顾一点，FM、FFM 算法都是针对稀疏场景的算法模型。

FM API 使用 {#title-2} =======================

xlearn：https://xlearn-doc-cn.readthedocs.io/en/latest/index.html
libfm：http://www.libfm.org/

**xLearn 是一款高性能的，易用的，并且可扩展的机器学习算法库，你可以用它来解决大规模机器学习问题，尤其是大规模稀疏数据机器学习问题。**如果你是 liblinear、libfm、libffm 的用户，那么现在 xLearn 将会是你更好的选择，因为 xLearn 几乎囊括了这些系统的全部功能，并且具有更好的性能，易用性，以及可扩展性。

 pip install xlearn

示例代码：

import xlearn as xl
from sklearn.datasets import load_breast_cancer
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import accuracy_score
from sklearn.preprocessing import StandardScaler


if __name__ == '__main__':

    # 加载鸢尾花数据集
    data = load_breast_cancer()
    print('数据量:', len(data.data))

    # 鸢尾花数据集分割
    x_train, x_test, y_train, y_test = \
        train_test_split(data.data, data.target, test_size=0.2, stratify=data.target, random_state=0)

    # 初始化 FM 模型
    fm_model = xl.FMModel(task='binary', lr=0.02, k=20, epoch=200, opt='sgd', n_jobs=1)

    # 模型开始训练
    fm_model.fit(x_train, y_train)

    # 训练集准确率
    # x_train = scaler_model.fit_transform(x_test)
    y_pred = fm_model.predict(x_train)
    y_pred = [ 1 if pred > 0.5 else 0 for pred in y_pred]
    print(accuracy_score(y_train, y_pred))

FMModel 在 scikit-learn 的 breast_cancer 数据集上训练效果不如 LRModel 效果。考虑的原因可能是是 FM 算法对稀疏数据效果更好，而我们的数据集则并不是稀疏的。