交替最小二乘法（ALS）的工作原理

假设我们有一个评分矩阵，我们希望通过交替优化用户矩阵和物品矩阵来最小化误差。

假设：

• 我们有一个评分矩阵 ( R )，它的维度是 ( m \times n )，即 ( m ) 个用户和 ( n ) 个物品（比如电影、商品等）。
• 矩阵分解目标：我们想将这个矩阵分解成两个较小的矩阵：
  • 用户特征矩阵 ( U )（维度为 ( m \times k )，每个用户有 ( k ) 个特征）
  • 物品特征矩阵 ( V )（维度为 ( n \times k )，每个物品有 ( k ) 个特征）
• 目标是找到 ( U ) 和 ( V ) 使得它们的乘积 ( UV^T ) 尽可能接近原始评分矩阵 ( R )。

第一步：定义误差

首先，定义预测矩阵为 ( \hat{R} = UV^T )。我们的目标是最小化这个预测矩阵 ( \hat{R} ) 和实际评分矩阵 ( R ) 之间的误差。

误差可以表示为：
[ E = \sum_{(i,j) \in K} (R_{ij} - U_i V_j^T)2 ]
其中：

• ( E ) 是总的平方误差。
• ( R_{ij} ) 是用户 ( i ) 对物品 ( j ) 的评分。
• ( U_i ) 是用户 ( i ) 的特征向量（大小为 ( 1 \times k )）。
• ( V_j ) 是物品 ( j ) 的特征向量（大小为 ( 1 \times k )）。
• ( K ) 是包含用户对物品评分的所有索引集（即，已知评分的用户-物品对）。

我们希望通过优化 ( U ) 和 ( V ) 来最小化这个误差。

第二步：固定物品矩阵 ( V )，优化用户矩阵 ( U )

首先，我们固定物品特征矩阵 ( V )，然后根据评分矩阵 ( R ) 优化用户特征矩阵 ( U )。

对每个用户 ( i )，我们的目标是通过最小化以下的平方误差来计算 ( U_i )：
[ E = \sum_{j \in K_i} (R_{ij} - U_i V_j^T)2 + \lambda | U_i |^2 ]

其中：

• ( K_i ) 是用户 ( i ) 给物品打过分的物品集合。
• ( \lambda ) 是正则化参数，用来防止过拟合（类似于加了惩罚项）。

为了最小化这个误差，我们可以用最小二乘法来求解 ( U_i ) 的最优值。实际上，这是一个线性回归问题。我们可以把它写成一个矩阵形式的方程：

[ U_i = (V_{K_i}^T V_{K_i} + \lambda I)^{-1} V_{K_i}^T R_i ]

其中：

• ( V_{K_i} ) 是物品特征矩阵中用户 ( i ) 打过分的物品行的子矩阵。
• ( R_i ) 是用户 ( i ) 的评分向量。
• ( I ) 是单位矩阵。

通过这一步，我们可以得到所有用户的特征向量 ( U_i )。

第三步：固定用户矩阵 ( U )，优化物品矩阵 ( V )

接下来，我们固定用户特征矩阵 ( U )，对物品特征矩阵 ( V ) 进行优化。这一步的计算过程与第二步类似，只是换成了物品的特征向量。

对每个物品 ( j )，我们最小化以下误差：
[ E = \sum_{i \in K_j} (R_{ij} - U_i V_j^T)2 + \lambda | V_j |^2 ]

这里的 ( K_j ) 是打过分的用户集合，表示哪些用户对物品 ( j ) 进行了评分。

同样，使用最小二乘法，我们可以得到物品特征矩阵 ( V_j ) 的更新公式：
[ V_j = (U_{K_j}^T U_{K_j} + \lambda I)^{-1} U_{K_j}^T R_j ]

其中：

• ( U_{K_j} ) 是用户特征矩阵中打过物品 ( j ) 的用户行的子矩阵。
• ( R_j ) 是物品 ( j ) 的评分向量。

通过这一步，我们可以得到所有物品的特征向量 ( V_j )。

第四步：反复交替更新，直到收敛

上述的两个步骤（优化 ( U ) 和优化 ( V )）反复进行。每次更新用户矩阵 ( U ) 后，再更新物品矩阵 ( V )，直到误差不再显著减少，也就是收敛。

总结：

• 步骤 1：初始化用户矩阵 ( U ) 和物品矩阵 ( V )，通常是随机初始化。
• 步骤 2：固定物品矩阵 ( V )，用最小二乘法计算用户矩阵 ( U )。
• 步骤 3：固定用户矩阵 ( U )，用最小二乘法计算物品矩阵 ( V )。
• 步骤 4：反复交替更新，直到平方误差收敛（即误差不再明显减小）。

通过这些步骤，ALS 可以找到合适的用户和物品的特征向量，从而预测用户对未评分物品的评分。

希望这些计算步骤能帮助你更好地理解 ALS 的计算过程！

原文地址：https://blog.csdn.net/kljyrx/article/details/142828353

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