libfm 1.4.2 manual

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因子分解机(Factorization Machine, FM), 是由Konstanz大学(德国康斯坦茨大学)Steffen Rendle(现任职于Google)于2010年最早提出的,旨在解决大规模稀疏数据下的特征组合问题。

所谓的因子即潜因子(latent factors),在推荐系统中矩阵分解中常提及。ratings(n,m)评分矩阵,分解为:users(n,x) * items(x,m).

对于分类和回归问题,核心的一个问题是:特征组合。它的威力巨大。如果每个特征两两组合,n个特征下,产生的组合特征有:n * (n-1)/2。当n=100时,就有4950种. 如果每种特征以one-hot编码,每个特征的取值有100个,那这个数字又要另算了…(100 * 100 * (100 * 100-1) / 2)=5000w种了…当然,这个矩阵是稀疏的。

如果模型为多项式模型:

本文简述下manual上的几个要点。

1.准备

1.下载、编译:https://github.com/srendle/libfm

2.编译出三个bin:

  • libFM: the libFM tool
  • convert: a tool for converting text-files into binary format , 文本转二进制工具
  • transpose: a tool for transposing binary design matrices,二进制设计矩阵转置工具

2.数据格式

libsvm sparse格式:

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4 0:1.5 3:-7.9 
2 1:1e-5 3:2 
-1 6:1

3.格式转换

script下,内置了脚本。

推荐系统中,常见格式:

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userid itemid rating

例如:Movielens 1M数据集:

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./triple_format_to_libfm.pl -in ratings.dat -target 2 -delete_column 3 -separator "::"

如果同时对训练集、测试集处理:

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./triple_format_to_libfm.pl -in train.txt,test.txt -target 2 -separator "\t"

4.二进制格式

二进制数据格式优点:

  • 1.读取快
  • 2.原始数据不能直接装进内存(太大);二进制格式可以存在磁盘上,一部分装进内存中 (使用–cache size)
  • 3.如果使用ALS 和 MCMC,可以预先计算转置矩阵

示例:将movielens数据集转换成二进制格式:

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./convert --ifile ratings.dat.libfm --ofilex ratings.x --ofiley ratings.y

生成两个文件:

  • ratings.x: 设计矩阵X,即:要预测的变量X
  • ratings.y: 输出target:y

推荐使用这种后缀命名法。

5.转置数据

对于MCMC和ALS学习,需要使用转置的设计矩阵。

  • 如果使用文本格式,数据在内部会自动进行转置。
  • 如果使用二进制格式,进行转置。

示例:

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./transpose --ifile ratings.x --ofile ratings.xt

6.train与test

6.1 完整参数

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-cache_size     cache size for data storage (only applicable if data is
            in binary format), default=infty
-dim            'k0,k1,k2': k0=use bias, k1=use 1-way interactions,
            k2=dim of 2-way interactions; default=1,1,8
-help           this screen
-init_stdev     stdev for initialization of 2-way factors; default=0.1
-iter           number of iterations; default=100
-learn_rate     learn_rate for SGD; default=0.1
-load_model     filename for reading the FM model
-meta           filename for meta information about data set
-method         learning method (SGD, SGDA, ALS, MCMC); default=MCMC
-out            filename for output
-regular        'r0,r1,r2' for SGD and ALS: r0=bias regularization,
                r1=1-way regularization, r2=2-way regularization
-relation       BS: filenames for the relations, default=''
-rlog           write measurements within iterations to a file;
                default=''
-save_model     filename for writing the FM model
-seed           integer value, default=None
-task           r=regression, c=binary classification [MANDATORY]
-test           filename for test data [MANDATORY]
-train          filename for training data [MANDATORY]
-validation     filename for validation data (only for SGDA)
-verbosity      how much infos to print; default=0

6.2 强制参数

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-task: 分类(-task c)或回归(-task r)
-train: 训练
-test: 测试
-dim: libfm的维度. k0, k1, k2.  
	k0: {0,1},是否使用bias: w0
	k1: {0,1},是否使用one-way interactions(每个变量都加上bias)
	k2: 实数集。使用pairwise interactions所需的因子数。k表示R^(pxk)

示例:一个回归任务,使用bias,1-way interaction, k=8 pairwise interaction.

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./libFM -task r -train ml1m-train.libfm -test ml1m-test.libfm -dim ’1,1,8’

6.3 可选参数

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-out:输出。对于分类,输出为正例的概率
-rlog:每次迭代的统计信息日志。csv格式
-verbosity: 是否打印更详细信息。

6.4 高级参数

Grouping

使用meta选项对输入变量进行group分组。用于MCMC, SGDA and ALS的grouping,定义了一个更复杂的正则结构。每个group都有独自的正则项参数。如要使用grouping,meta参数最好是文件名,行数与输入变量数(列)相同。每行为相应的输入变量指定groupid。注意:group_id必须是从0开始的数值型。

例如:一个设计矩阵的grouping文件,它有7列;最大id是6:

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0
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这里总共有3个组,前两个变量(设置矩阵中的列)具有相同的分组,第三个和最后一个具有相同分组;第4、5、6具有相同分组

Binary Data and Caching

对于设计矩阵,二进制的文件名以.x结尾,target以.y结尾,转置数据以.xt结尾。如果你想在libFM中使用二进制数据,训练、测试、验证时的命令行参数中文件名,则不必使用.x, .y, .xt结尾。

例如:如果你训练(ml1m-train.x, ml1m-train.y, ml1m-train.xt)和测试数据的调用(ml1m-test.x, ml1m-test.y, ml1m-test.xt):

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./libFM -task r -train ml1m-train -test ml1m-test -dim ’1,1,8’

libFM会自动将合适的文件扩展名附加上后面进行学习。

如果你的数据太大装不进内存,你可以指定libFM允许的文件内容大小:

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./libFM -task r -train ml1m-train -test ml1m-test -dim ’1,1,8’ -cache_size 100000000

在该例中,会使用100MB用于缓存每个.x或.xt文件。注意,.y文件总是能完整读到内存中。

如果参数cache_size没有指定,所有数据都会加载到内存中。注意:只要你的数据比内存大,你就应该使用caching;因为caching会使用硬盘,它会略比内存慢。

6.4 学习方法

缺省下,使用MCMC推断(MCMC inference)进行学习,因为MCMC最便于处理(没有学习率,没有正则项)。在LibFM中,你可以从以下的学习方法中选择:SGD, ALS, MCMC和SGDA. 对于所有学习方法,都需要指定迭代次数iter。

6.4.1 SGD

使用-method sgd即可。对于随机梯度下降法,需要指定以下参数:

  • learn_rate: 学习率,即SGD的step size,必须是非0正值
  • regular: 正则参数。非零正值。
  • init_stdev: 正态分布的标准差,它用于初始化参数V。你应使用一个非零正值

对于SGD,你需要指定以下的正则参数:

  • 1个值(-regular value): 所有模型参数都使用相同正则项
  • 3个值(-regular ‘value0,value1,value2’): 0-way interactions(w0),使用value0作为正则项;1-way interactions(w)使用value1,而pairwise interactions(V)使用value2.
  • 没有值:如果参数-regular完全没指定任何数,则对应于没有正则项。比如:-regular 0

示例:

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./libFM -task r \
		-train ml1m-train.libfm \
		-test ml1m-test.libfm \
		-dim ’1,1,8’ \
		-iter 1000 \
		-method sgd \
		-learn_rate 0.01 \
		-regular ’0,0,0.01’ \
		-init_stdev 0.1

6.4.2 ALS

使用-method als即可做ALS学习。参数选择如下:

  • regular: 正则项,非零正值.
  • init_stdev: 正态分布的标准差,它用于初始化参数V。你应使用一个非零正值

对于ALS,你需要指定以下的正则参数:

  • 1个值(-regular value): 所有模型参数都使用相同正则项
  • 3个值(-regular ‘value0,value1,value2’): 0-way interactions(w0),使用value0作为正则项;1-way interactions(w)使用value1,而pairwise interactions(V)使用value2.
  • 分组指定值(-regular ‘value0,value1g1,…,value1gm,value2g1,…value2gm’),对于m组,存在着1+2m项正则项:如果输入参数分过组,每组的1-way和2-way interaction,都需要一个正则项.
  • 没有值:如果参数-regular完全没指定任何数,则对应于没有正则项。比如:-regular 0

示例:

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./libFM -task r \
	-train ml1m-train.libfm \
	-test ml1m-test.libfm \
	-dim ’1,1,8’ \
	-iter 1000 \
	-method als \
	-regular ’0,0,10’ \
	-init_stdev 0.1

6.4.3 马尔可夫链蒙特卡尔理论(Markov Chain Monte Carlo:MCMC)

使用 -method mcmc 用作MCMC学习。参数如下:

  • init_stdev: 正态分布的标准差,它用于初始化参数V。你应使用一个非零正值

示例:

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./libFM -task r \
	-train ml1m-train.libfm \
	-test ml1m-test.libfm \
	-dim ’1,1,8’ \
	-iter 1000 \
	-method mcmc \
	-init_stdev 0.1

6.4.4 自适应SGD(SGDA)

使用参数 -method sgda可用于SGD学习。SDGA学习中,正则项的值(每个分组和每层)会自动发现。你可以指定一个验证集,用于调整正则项:

  • validation: 该数据集用于调整正则项参数。该数据集应与训练集不重合
  • learn_rate: 学习率,即SGD的step size。它具有非零正值
  • init_stdev: 正态分布的标准差,它用于初始化参数V。你应使用一个非零正值

示例:

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./libFM -task r \
  -train ml1m-train.libfm \
  -test ml1m-test.libfm \
  -dim ’1,1,8’ \
  -iter 1000 \
-method sgda \
-learn_rate 0.01 \
-init_stdev 0.1 \
-validation ml1m-val.libfm

7. BS扩展

  • (a)LibFM数据文件(即设计矩阵X的表示),包含了大的重复的pattern块
  • (b)LibFM的BS extension,它允许使用一个关于数据文件的更有效压缩表示,对于重复的patterns只会出现一次.

在关系设置中,设计矩阵(Design Matrix)会包含重复的patterns大块。这会产生一个很大的设计矩阵,从而使得学习变慢,并且占用大量内存。LibFM的BS扩展,允许定义和使用设计矩阵的块结构。使用BS,runtime和内存消耗都是随数据size线性增长的。更多细节详见[7].

7.1 数据格式

BS extension允许定义块(比如:上图中的B1, B2, B3),并在libFM中使用它们。每个块的定义包含这几部分:

  • 关于块的设计矩阵(上图中的X^B1)
  • 训练样例(或测试样例),映射到块中的行(例如:图中的:ø^B1)
  • 设计矩阵中,可选参数grouping

对于每个块,期望以下的文件:

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<blockname>.x: 块的设计矩阵,二进制文件
<blockname>.xt: <blockname>.x的转置矩阵
<blockname>.train: 从train rows到block rows的映射
<blockname>.test: 与train相类似
<blockname>.groups: 可选文件,用于grouping预测变量

7.3 运行BS数据

使用命令行参数 –relation. 假设定义了两个块(rel.user和rel.item):

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./libFM -task r \
	-train ml1m-train \
	-test ml1m-test \
	-dim ’1,1,8’ \
	--relation rel.user,rel.item

注意,对于每个块,上述列出的文件必须出现(比如:rel.user.x, rel.user.xt, rel.user.train, rel.user.test, (rel.user.groups), rel.item.x, rel.item.xt,等)

7.4 注意BS的使用

  • BS只支持MCMC和ALS/CD.
  • 当使用BS时,–train和–test参数仍是必选的,必须指定文件。libFM文件,通过–train和–test参数传递,具有预测变量,也可以是空。文件可以是二进制或文本格式。
  • BS设计矩阵的变量ids的名字空间是不一样(distinct)的。例如:在X^B1,和在X^B2的索引7的变量,是不同的。LibFM内部会给大的变量id添加offset。
  • BS文件分组的名字空间也是不一样的。每个分组文件分组从0开始,重复的解析方式与predictor variable ids相同。
  • 如果没有分组文件传进去,每个块都会自动假设它有一个不同分组

参考

  • www.libfm.org
  • [1] Chih-Chung Chang and Chih-Jen Lin. Libsvm: A library for support vector machines. ACM Trans. Intell. Syst. Technol., 2:27:1–27:27, May 2011.
  • [2] Christoph Freudenthaler, Lars Schmidt-Thieme, and Steffen Rendle. Bayesian factorization machines. In NIPS workshop on Sparse Representation and Low-rank Approximation, 2011.-
  • [3] Thorsten Joachims. Making large-scale support vector machine learning practical, pages 169–184. MIT Press, Cambridge, MA, USA, 1999.
  • [4] Steffen Rendle. Factorization machines. In Proceedings of the 10th IEEE International Conference on Data Mining. IEEE Computer Society, 2010.
  • [5] Steffen Rendle. Factorization machines with libFM. ACM Trans. Intell. Syst. Technol., 3(3):57:1– 57:22, May 2012.
  • [6] Steffen Rendle. Learning recommender systems with adaptive regularization. In WSDM ’12: Pro- ceedings of the third ACM international conference on Web search and data mining, New York, NY, USA, 2012. ACM.
  • [7] Steffen Rendle. Scaling factorization machines to relational data. In Proceedings of the 39th in- ternational conference on Very Large Data Bases, PVLDB’13, pages 337–348. VLDB Endowment, 2013.
  • [8] Steffen Rendle, Zeno Gantner, Christoph Freudenthaler, and Lars Schmidt-Thieme. Fast context- aware recommendations with factorization machines. In Proceedings of the 34th ACM SIGIR Con- ference on Reasearch and Development in Information Retrieval. ACM, 2011.

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