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机器学习——排序特征（Ranking Features）原理详解

article 2024/11/8 10:39:36

排序特征（Ranking Features）在机器学习中用于排序任务。它们的核心思想是利用特征来判断不同样本的相对顺序，这在信息检索、推荐系统等领域十分常见。排序特征背后的底层原理和实现方式相对复杂，下面从底层原理、常用方法以及代码实现三个角度全面解释排序特征的构建和应用。

一、底层原理

在排序任务中，主要关注的不是样本的具体值，而是样本的相对顺序。例如在推荐系统中，目的是将更相关的项目排在更高的位置。排序特征帮助模型判断样本之间的顺序关系，而不是直接预测数值或类别。

排序的本质：
- 假设有一组样本 {x1,x2,...,xn} 和对应的标签或分数 {y1,y2,...,yn}，排序任务的目标是根据输入特征对样本进行排序，使得更高的相关性（即更高的 y 值）排在前面。
- 这里的关键是构建能够反映样本间相对顺序的特征，而不仅仅是样本的绝对值。
常见的排序方法：
- 点对点比较（Pairwise Comparison）：通过构建样本对，模型学习两样本之间的相对关系，即“样本 A 是否比样本 B 更好”。
- 基于列表的排序（Listwise Ranking）：通过一个列表的样本进行排序，模型学习在多个样本之间建立顺序关系。
- 学习排序函数：学习一个排序函数 f(x)，让 f(xi)>f(xj) 表示样本 xi 排在样本 xj 之前。

二、排序特征的构建方法

排序特征的构建方法依赖于具体的排序算法，常用的算法包括以下几种：

1. Pairwise Ranking（点对排序）

在点对排序中，我们将排序任务转化为二分类问题。给定一对样本 (xi,xj)，目标是学习模型 f(x)，使得：

如果 yi>yj，则 f(xi)>f(xj)。
如果 yi<yj，则 f(xi)<f(xj)。

点对排序常用的算法是RankNet，它基于神经网络学习排序函数，并使用交叉熵损失计算每对样本的损失。

2. Listwise Ranking（基于列表的排序）

在列表排序中，模型直接优化整个样本列表的顺序。常用的算法包括：

LambdaRank：改进了 RankNet，通过引入梯度加权，进一步提升排序性能。
ListNet：使用 Softmax 函数将排序结果转化为概率分布，通过 KL 散度优化。
ListMLE：优化排名排列的似然函数，以最大化正确排序的概率。

3. 特征工程：生成排序特征

常见的排序特征生成方式包括：

历史特征：根据用户行为（点击、浏览等）生成排序特征。例如，用户对某类项目的浏览次数可能用于构建用户兴趣模型。
上下文特征：结合用户、项目的上下文信息（如时间、地理位置等）构建排序特征。
交互特征：捕捉用户与项目的交互信息，进一步丰富特征空间。

三、排序特征的代码实现

下面以 Python 和 scikit-learn 为例，演示如何构建排序特征，并通过 RankNet 模型进行训练。注意，RankNet 不在标准的 scikit-learn 库中，需要使用 tensorflow 或 torch 实现神经网络。

示例代码：实现排序特征和 RankNet

数据生成：假设我们有样本集，每个样本有两个特征和一个目标分数。

import numpy as np

# 样本特征 (X) 和分数 (y)
X = np.array([
    [0.2, 0.8],
    [0.4, 0.4],
    [0.6, 0.2],
    [0.8, 0.6]
])
y = np.array([3, 1, 2, 4])  # 样本分数，用于排序

# 生成样本对
def generate_pairs(X, y):
    pairs = []
    labels = []
    for i in range(len(y)):
        for j in range(len(y)):
            if y[i] > y[j]:  # 只有当 y_i > y_j 时生成样本对
                pairs.append((X[i], X[j]))
                labels.append(1)
            elif y[i] < y[j]:
                pairs.append((X[j], X[i]))
                labels.append(0)
    return np.array(pairs), np.array(labels)

pairs, labels = generate_pairs(X, y)
print("样本对:", pairs)
print("标签:", labels)

2. RankNet 模型：构建一个简单的 RankNet 模型，以比较每对样本的顺序。

import tensorflow as tf
from tensorflow.keras import layers, Model

# RankNet 模型
input_shape = X.shape[1]
input_a = layers.Input(shape=(input_shape,))
input_b = layers.Input(shape=(input_shape,))

# 基础网络
base_network = tf.keras.Sequential([
    layers.Dense(8, activation='relu'),
    layers.Dense(4, activation='relu'),
    layers.Dense(1, activation='linear')
])

# 使用同一个基础网络处理两个输入
score_a = base_network(input_a)
score_b = base_network(input_b)

# 计算差值
diff = layers.Subtract()([score_a, score_b])
output = layers.Activation('sigmoid')(diff)

# 定义模型
ranknet = Model(inputs=[input_a, input_b], outputs=output)
ranknet.compile(optimizer='adam', loss='binary_crossentropy', metrics=['accuracy'])

# 训练模型
pair_features = [pairs[:, 0], pairs[:, 1]]
ranknet.fit(pair_features, labels, epochs=10, batch_size=4)

3. 模型推理与排序：

训练完成后，可以使用该模型对新样本进行预测，计算新样本与现有样本的相似性分数，从而生成排序。

# 推理：计算样本分数
def compute_scores(model, X):
    return model.predict([X, np.zeros_like(X)])

# 计算排序分数
scores = compute_scores(ranknet, X)
ranking = np.argsort(scores.flatten())[::-1]
print("排序结果:", ranking)