[추천시스템] Latent Factor Model with Pytorch

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[추천시스템] Latent Factor Model with Pytorch

운호(Noah) 2020. 10. 29. 17:36

MovieLens 데이터

영화 평점 데이터셋
- 크기별로 다양하게 존재 : 100K, 1M, 10M, 20M
- 실습에서 사용할 데이터셋 : 100K
- https://grouplens.org/datasets/movielens/

데이터 준비

ml-100k.zip 파일을 받아서 적절한 위치에 압축풀기

Pytorch 사용하기

필요한 모듈 import 하기

  import torch
  import pandas as pd
  import torch.nn.functional as F
  import matplotlib.pyplot as plt

파일 불러오기

Pandas를 이용하여 파일 불러오기

  train = pd.read_csv("../ds_data/ml-100k/ua.base",
   sep="\t", names=['user', 'movie', 'rating', 'timestamp'])
  test = pd.read_csv("../ds_data/ml-100k/ua.test",
   sep="\t", names=['user', 'movie', 'rating', 'timestamp'])

Pytorch tensor 데이터로 변환

  items = torch.LongTensor(train['movie'])
  users = torch.LongTensor(train['user'])
  ratings = torch.FloatTensor(train['rating'])
  items_test = torch.LongTensor(test['movie'])
  users_test = torch.LongTensor(test['user'])
  ratings_test = torch.FloatTensor(test['rating'])

Latent Factor Model

기본 Matrix Factorization 구현 (정규화 및 bias 없는 버전)

  # rank → 사용자, 아이템 vector의 차원
  # numUsers → 사용자 수
  # numItems → 아이템 수
  # P → 아이템 매트릭스
  # Q → 사용자매트릭스

  rank = 10

  numItems = items.max() + 1
  numUsers = users.max() + 1

  P = torch.randn(numItems, rank, requires_grad=True)
  Q = torch.randn(numUsers, rank, requires_grad=True)

  optimizer = torch.optim.Adam([P, Q], lr= 0.1)

  for epoch in range(1000):

      # 가설 = 예상별점(아이템벡터와 유저벡터 내적)
      hypothesis = torch.sum(P[items] * Q[users], dim= 1)
      # 비용 = MSE
      cost = F.mse_loss(hypothesis ,ratings)

      # 기울기 계산
      optimizer.zero_grad()
      cost.backward()
      optimizer.step()

      if epoch % 100 == 0:
          print("epoch: {}, cost: {:.6f}" .format(epoch, cost.item()))

Matplotlib으로 epoch마다 Training MSE 그려보기

  optimizer = torch.optim.Adam([P, Q], lr= 0.1)

  X = []
  Y = []

  for epoch in range(1000):

      # 가설 = 예상별점(아이템벡터와 유저벡터 내적)
      hypothesis = torch.sum(P[items] * Q[users], dim= 1)

          # 비용 = MSE
      cost = F.mse_loss(hypothesis ,ratings)

      # 기울기 계산
      optimizer.zero_grad()
      cost.backward()
      optimizer.step()

      X.append(epoch)
      Y.append(cost)

      if epoch % 100 == 0:
          print("epoch: {}, cost: {:.6f}" .format(epoch, cost.item()))

  plt.ylabel("MSE")
  plt.xlabel("Epoch")
  plt.plot(X,Y, c="blue", label="Training MSE")
  plt.legend()
  plt.show()

Matplotlib으로 epoch마다 Test MSE 그려보기

  rank = 10
  numItems = items.max() + 1
  numUsers = users.max() + 1
  P = torch.randn(numItems, rank, requires_grad=True)
  Q = torch.randn(numUsers, rank, requires_grad=True)

  optimizer = torch.optim.Adam([P, Q], lr= 0.1)

  X = []
  Y = []
  Y_test = []

  for epoch in range(1000):

      # 가설 = 예상별점(아이템벡터와 유저벡터 내적)
      hypothesis = torch.sum(P[items] * Q[users], dim= 1)

          # 비용 = MSE
      cost = F.mse_loss(hypothesis ,ratings)

      # 기울기 계산
      optimizer.zero_grad()
      cost.backward()
      optimizer.step()

      # 기울기 계산 필요 없다.
      with torch.no_grad():
                  # 만들어진 P, Q matrix로 예측값을 뽑아내고 검증데이터와 비교한다.

                  # 가설 = 예상별점(아이템벡터와 유저벡터 내적)
          hypo_test = torch.sum(P[items_test] * Q[users_test], dim=1)
              # 비용 = MSE
          cost_test = F.mse_loss(hypo_test, ratings_test)

          X.append(epoch)
          Y.append(cost)
          Y_test.append(cost_test)

      if epoch % 100 == 0:
          print("epoch: {}, cost: {:.6f}" .format(epoch, cost.item()))

  plt.ylabel("MSE")
  plt.xlabel("Epoch")
  plt.plot(X,Y, c="blue", label="Training MSE")
  plt.plot(X,Y_test, c="red", label="Test MSE")
  plt.legend()
  plt.show()

기본 Matrix Factorization에 Regularization 추가하기

rank = 10
numItems = items.max() + 1
numUsers = users.max() + 1
P = torch.randn(numItems, rank, requires_grad=True)
Q = torch.randn(numUsers, rank, requires_grad=True)

# 정규화에 사용할 파라미터
lambda1 = 0.0001
lambda2 = 0.0001

optimizer = torch.optim.Adam([P, Q], lr= 0.1)

X = []
Y = []
Y_test = []

for epoch in range(1000):

        # 가설 = 예상별점(아이템벡터와 유저벡터 내적)
    hypothesis = torch.sum(P[items] * Q[users], dim=1)

        # 비용 = MSE + 정규화
        cost = F.mse_loss(hypothesis ,ratings)
        loss = cost + lambda1 * torch.sum(P ** 2) + lambda2 * torch.sum(Q ** 2)

    # 기울기 계산
    optimizer.zero_grad()
    loss.backward()
    optimizer.step()

    # 기울기 계산 필요 없다.
    with torch.no_grad():
                # 만들어진 P, Q matrix로 예측값을 뽑아내고 검증데이터와 비교한다.

                # 가설 = 예상별점(아이템벡터와 유저벡터 내적)
        hypo_test = torch.sum(P[items_test] * Q[users_test], dim=1)
            # 비용 = MSE
        cost_test = F.mse_loss(hypo_test, ratings_test)

        # cost 결과 작성
        X.append(epoch)
        Y.append(cost)
        Y_test.append(cost_test)

    if epoch % 100 == 0:
        print("epoch: {}, cost: {:.6f}" .format(epoch, cost.item()))

plt.ylabel("MSE")
plt.xlabel("Epoch")
plt.plot(X,Y, c="blue", label="Training MSE")
plt.plot(X,Y_test, c="red", label="Test MSE")
plt.legend()
plt.show()

기본 Matrix Factorization에 Bias 추가하기

# Bias 추가하기

rank = 10
numItems = items.max() + 1
numUsers = users.max() + 1
P = torch.randn(numItems, rank, requires_grad=True)
Q = torch.randn(numUsers, rank, requires_grad=True)

# Global Baseline Estimate 적용시 bias_item, bias_user, Pi, Qx를 정규화하기 위해 사용
lambda1 = 0.0001
lambda2 = 0.0001
lambda3 = 0.001
lambda4 = 0.001

# 각 item, user 벡터에 적용할 bias 값
# 학습해야하는 파라미터이기에 랜덤한 값으로 채워넣는다.
bias_item = torch.randn(numItems, requires_grad=True)
bias_user = torch.randn(numUsers, requires_grad=True)

# 전체 평점 평균 (Global Baseline Estimate를 적용한 Latent Factor model의 가설함수에 필요)
mean = (ratings.sum() / len(ratings)).item()

optimizer = torch.optim.Adam([P, Q, bias_item, bias_user], lr= 0.1)

X = []
Y = []
Y_test = []

for epoch in range(1000):

        # 가설 = 예상별점(아이템벡터와 유저벡터 내적) + 전체평점평균 + 아이템벡터의 bias + 유저벡터의 bias
    hypothesis = torch.sum(P[items] * Q[users], dim=1) + mean + bias_item[items] + bias_user[users]

        # 비용 = MSE + 정규화
    cost = F.mse_loss(hypothesis ,ratings)
        loss = cost + lambda1 * torch.sum(P ** 2) + lambda2 * torch.sum(Q ** 2) + lambda3 * torch.sum(bias_item ** 2) + lambda4 * torch.sum(bias_user ** 2) 

    # 기울기 계산
    optimizer.zero_grad()
    loss.backward()
    optimizer.step()

    # 기울기 계산 필요 없다.
    with torch.no_grad():
                # 만들어진 P, Q matrix로 예측값을 뽑아내고 검증데이터와 비교한다.

                # 가설 = 예상별점(아이템벡터와 유저벡터 내적) + 전체평점평균 + 아이템벡터의 bias + 유저벡터의 bias
        hypo_test = torch.sum(P[items_test] * Q[users_test], dim=1)+ mean + bias_item[items_test] + bias_user[users_test]

                # 비용 = MSE
        cost_test = F.mse_loss(hypo_test, ratings_test)

                # cost 결과 작성
        X.append(epoch)
        Y.append(cost)
        Y_test.append(cost_test)

    if epoch % 100 == 0:
        print("epoch: {}, cost: {:.6f}" .format(epoch, cost.item()))

plt.ylabel("MSE")
plt.xlabel("Epoch")
plt.plot(X,Y, c="blue", label="Training MSE")
plt.plot(X,Y_test, c="red", label="Test MSE")
plt.legend()
plt.show()

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