DIN模型与DIEN模型总结

DIN模型（Deep Interest Network）

DIN模型是阿里妈妈团队提出的CTR预估模型，虽然是几年前提出的，但是现在应用仍比较广泛。
原论文地址：Deep Interest Network for Click-Through Rate Prediction

对论文的核心总结：利用用户历史行为序列信息，使用类似Attetion的机制动态构建用户兴趣embeeding，使得模型能够捕获用户的兴趣。

该论文的主要贡献：

• 提出DIN模型，利用用户兴趣信息进行建模。
• 提出mini-batch aware regularization，MBA正则化，简化版L2正则，避免模型过拟合的同时，减少计算量，加快模型训练
• data adaptive activation function，数据自适应激活函数Dice。该激活函数可以根据数据的实际分布来动态调整系数。

模型结构

上图中，左边部分是Base模型，用来与DIN模型进行对比。可以看出，DIN的主要区别就在于对用户历史行为序列的处理，其实就是动态加权sum pooling的操作。所以，该模型的核心也就在于Activation Weight这个模块。

Activation Weight这个模块类似于门控机制，用来输出当前用户历史行为中每个商品对应的权重。
类似于Attention机制，该层的输入为当前商品的embedding以及广告对应的embedding，然后这两个embedding进行外积，得到一个结合的embedding，再将结合的embedding与商品、广告embedding进行拼接，最终拼接好的embedding进行全连接变化，输出权重值。

值得注意的是，该模块与传统的Attetnion机制不同，这里未使用softamax对打分进行归一化，这样做是为了更好区别兴趣程度，使得权重间的值差距更大。

得到用户历史行为embedding后，再与广告侧、上下文侧和用户侧的特征embedding进行拼接，经过多层的Dense变化，输出最终的CTR预测概率。

MBA 正则化

传统的L2正则化会对所有参数进行计算，这对于广告这种具有大规模稀疏特征的应用场景来说，会增加很大的计算开销。故作者提出改进版的L2正则化，在避免模型过拟合的同时，也加快了模型的训练速度，减少了计算开销。
传统的L2正则化公式，可以在mini-batch的训练方式中，等价转化为下面的公式：

其中$n_j$表示该特征j在总样本中出现的次数，$I$为指示函数，表明在当前batch的训练样本中，是否出现特征$j$。

为了减少计算量，作者进行了以下的化简：

${\alpha }_{mj}$表示当前batch中，该特征$j$是否出现过。即，对于每一批batch样本进行训练时，只对该batch中，出现过的特征对应的参数进行正则化，且与该特征在总样本中出现的次数相关。如该特征在数据中出现很多次数，则减少对该特征参数的惩罚力度。

数据自适应激活函数

Data Adaptive Activation Function
PReLU激活函数如下图所示：

PReLU激活函数在0点处进行了强修正，rectified point固定为0，这在每一层的输入分布发生变化时是不适用的，所以文章对该激活函数机型了改进，平滑了rectified point附近曲线的同时，激活函数会根据每层输入数据的分布来自适应调整rectified point的位置。

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DIEN模型（Deep Interest Evolution Network for Click-Through Rate Prediction）

原论文地址：Deep Interest Evolution Network for Click-Through Rate Prediction

DIEN模型是DIN模型的改进版本。已经有的DIN模型，它强调用户兴趣是多样的，并使用基于注意力模型来捕获目标项目的相对兴趣。但是用户的兴趣是不断进化的，而DIN抽取的用户兴趣之间是独立无关联的，没有捕获到兴趣的动态进化性。但是在电商推荐的场景下，用户的兴趣是不断变化的，故提出DIEN模型来捕获与目标商品相关商品的兴趣发展路径。DIEN最大的特点是不但要找到用户的interest，还要抓住用户interest的进化过程。

该文的主要贡献：

• DIEN关注兴趣演化的过程，并提出了新的网络结构来建模兴趣进化的过程。
• 设计了兴趣抽取层，并通过计算一个辅助loss，来提升兴趣表达的准确性。
• 设计了兴趣进化层，来更加准确的表达用户兴趣的动态变化性。

模型结构

与DIN模型类似，DIEN的区别主要表现在对用户历史行为序列的embedding构建。
用户历史行为序列的embedding构建要经过三层：1.Dense embedding 2.兴趣抽取层 3.兴趣进化层
第一层其实就是一个Dense层，对商品进行embedding。

兴趣抽取层

与DIN相比，DIEN这一层引入了序列模型，因为上一时刻的行为，对下一刻的行为起重要决定作用，故引用序列模型会更好的表示用户的隐式兴趣。论文认为GRU比LSTM训练更快，故采用了GRU。
GRU输出h(t)如下所示：

这里可以认为$h_t$是用户的初步兴趣表示，每一步的兴趣状态会直接引导下一步的行为，为了更好地表达用户的兴趣，作者引入了辅助loss。

利用真实的下一个行为作为正样本，随机从行为序列中负采样得到负样本。用户下一时刻真实的行为$e_{t+1}$作为正例，负采样得到的行为作为负例$e_{t+1}^{\prime }$，分别与抽取出的兴趣$h_t$结合输入到设计的辅助网络中。

辅助Loss的好处：

• 更好的表达用户兴趣
• 类似引入多目标，增加辅助函数只增加了线下训练的成本，但并没增加线上serving时间。

兴趣进化层

随着外部环境和内部认知的变化，用户兴趣也不断变化。
兴趣在进化时，有两个特征：

• 多样性：兴趣漂移
• 独立性：虽然兴趣可能相互影响，但每种兴趣都有自己不断发展的过程

在兴趣抽取阶段，已经获取了用户的隐式兴趣表达，为了分析用户兴趣演化的特性，作者结合attention机制和GRU序列学习的能力去建模用户兴趣的演化。局部attention可以加强相关兴趣的影响，并减弱兴趣偏移的影响。

在attention阶段，使用的计算方式为：

文章介绍几种将注意力机制和GRU结合起来模拟兴趣进化过程的算法：

GRU with attentional input (AIGRU)

这种方式将attention直接作用于输入，无需修改GRU的结构：

在AIGRU中，注意力得分可以降低较少相关兴趣的规模。 理想情况下，较少相关兴趣的输入值可以减少到零。但是，AIGRU有一定局限性， 因为即使零输入也可以改变GRU的隐藏状态。

Attention based GRU(AGRU)

这种方式需要修改GRU的结构，此时hidden state的输出变为：

原来公式为：

AGRU使用Attention score来代替GRU的$u_t$（更新门），AGRU利用Attention score直接控制隐藏状态的更新。 并且在兴趣变化期间削弱了相关兴趣减少的影响。但是它使用标量（注意力分数$a_t$ ）来替换矢量（更新门$u_t$），这忽略了不同维度之间的重要性差异。

GRU with attentional update gate (AUGRU)

因为前面几种方式都有不同的缺陷，所以又提出了一种更好的：

DIEN使用AUGRU。得到兴趣进化embedding后，将其连接其它的信息（广告侧特征、上下文信息等等）并最后送入MLP进行最终CTR预测。