图神经网络实战(24)——基于LightGCN构建推荐系统

0. 前言

推荐系统已成为现代网络平台不可或缺的一部分,其目标是根据用户的兴趣和历史互动情况向用户提供个性化推荐。推荐系统具有广泛应用,例如,在电子商务网站上向用户推荐商品,在流媒体服务上向用户推荐内容,以及在社交媒体平台上向用户推荐可能认识的用户。推荐系统是图神经网络 (Graph Neural Networks, GNN) 的主要应用之一,可以有效地将用户、物品及其交互之间的复杂关系纳入一个统一的模型中。此外,图结构还能够将用户和项目元数据等附带信息纳入推荐过程中。
在本节中,我们将介绍 LightGCN 架构,它是专为推荐系统设计的,并使用 Book-Crossing 数据集训练模型,Book-Crossing 数据集包含用户、图书和超过一百万个评分。利用该数据集,我们将构建一个基于协同过滤的图书推荐系统,并将其应用于为特定用户生成推荐。通过这一过程,我们将演示如何使用 LightGCN 架构构建实用推荐系统。

1. Book-Crossing 数据集介绍

在本节中,我们将对数据集 Book-Cr

### LightGCN算法介绍 LightGCN是一种专门为推荐系统优化的图神经网络模型。该模型通过简化传统GCN结构,专注于邻居节点的信息传递机制,在保持高效的同时提高了推荐效果[^4]。 具体而言,LightGCN移除了原始GCN架构中的特征变换层和非线性激活函数,仅保留了核心的邻居聚合操作。这种设计使得模型能够更有效地捕捉用户-物品交互模式,并减少计算复杂度[^5]。 #### 算法原理 LightGCN的核心思想在于利用多层传播来增强用户的潜在向量表示: 1. **初始化**: 对于每个用户u和项目i, 初始化其嵌入向量\(e_u^{(0)}\) 和 \(e_i^{(0)}\). 2. **逐层更新**: 在第k层时,对于任意实体v (可以是用户或者项目),其新表征由与其相连的所有邻接实体w 的当前表征加权平均得到: \[ e_v^{(k+1)}=\sigma \left(\sum_{w \in N(v)} \frac{1}{\sqrt{|N(w)||N(v)|}} e_w^{(k)}\right)\] 这里采用的是简单均值作为权重方案;而为了防止过拟合并加速收敛速度,通常还会加入正则化项以及早停策略。 3. **最终输出**: 将所有层次的结果相加以形成最后的预测评分矩阵P. ```python import torch.nn as nn from typing import List class LightGCN(nn.Module): def __init__(self, num_users: int, num_items: int, embedding_dim: int, n_layers: int): super(LightGCN, self).__init__() # Define embeddings for users and items self.user_embedding = nn.Embedding(num_embeddings=num_users, embedding_dim=embedding_dim) self.item_embedding = nn.Embedding(num_embeddings=num_items, embedding_dim=embedding_dim) self.n_layers = n_layers def forward(self, adj_matrix: torch.sparse.FloatTensor) -> tuple: all_embs = [] embs = torch.cat([self.user_embedding.weight, self.item_embedding.weight], dim=0) for layer in range(self.n_layers + 1): all_embs.append(embs) embs = torch.spmm(adj_matrix, embs).div_(adj_matrix.sum(dim=-1)) final_emb = sum(all_embs)/len(all_embs) user_final_emb, item_final_emb = torch.split(final_emb, [num_users, num_items]) return user_final_emb, item_final_emb ``` #### 应用场景 由于LightGCN具有良好的泛化能力和较低的时间空间开销,因此非常适合处理大规模稀疏数据集下的个性化推荐任务。实际应用领域包括但不限于电子商务平台的商品推荐、社交媒体好友建议等服务中.
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