楊美姣，劉驚雷

(煙臺(tái)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005)

0 引言

近幾年,核方法已經(jīng)成功地應(yīng)用于各種現(xiàn)實(shí)世界中，尤其是那些具有高度復(fù)雜性和非線性結(jié)構(gòu)的問(wèn)題中。核方法已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各種機(jī)器問(wèn)題，如分類(lèi)、聚類(lèi)和回歸學(xué)習(xí)中。在基于核的學(xué)習(xí)中，輸入的數(shù)據(jù)點(diǎn)被映射到高維的特征空間中，并將內(nèi)部成對(duì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)對(duì)稱(chēng)的半正定核矩陣中。核矩陣的核心作用是描述樣本數(shù)據(jù)之間的相似性，目前在流形學(xué)習(xí)和降維中被廣泛應(yīng)用[1]。在實(shí)際應(yīng)用中矩陣的規(guī)模往往較大，因此需要降低矩陣的規(guī)模，即對(duì)矩陣進(jìn)行采樣，將高維矩陣映射到一個(gè)低維子空間中，然后對(duì)低維空間中的矩陣進(jìn)行分解，這樣做不僅能減小矩陣的規(guī)模，解決矩陣溢出的問(wèn)題，而且還能提高運(yùn)算的效率。低秩矩陣分解和核學(xué)習(xí)是構(gòu)建高級(jí)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的兩種有效的方法[2]，這兩種方法都可以降低大規(guī)模矩陣的計(jì)算成本。

給定一系列n個(gè)點(diǎn), 假設(shè)核矩陣K的大小為n×n。核矩陣K≈LLT，其中矩陣L∈n×k，秩k

Nystr?m方法的原理是選擇一組“地標(biāo)點(diǎn)”(有標(biāo)志性的點(diǎn))，然后計(jì)算輸入數(shù)據(jù)點(diǎn)和標(biāo)志點(diǎn)的內(nèi)核相似矩陣[5]。Nystr?m方法的衡量標(biāo)準(zhǔn)與標(biāo)志點(diǎn)的選取密切相關(guān)，若選取的標(biāo)志點(diǎn)具有普遍代表性，則其相似性越高。原始的Nystr?m方法是從輸入的數(shù)據(jù)點(diǎn)中隨機(jī)地選擇標(biāo)志點(diǎn)[6]，隨機(jī)采樣有很多不確定性，使得原始Nystr?m方法的精度并不是很高。本文中將Nystr?m方法與QR方法相結(jié)合，即將Nystr?m方法的內(nèi)部矩陣C進(jìn)行QR分解，將分解后得到矩陣Q和R，利用分解后的矩陣R和Nystr?m方法的內(nèi)部矩陣W+相乘，得到矩陣RW+RT，隨后對(duì)矩陣RW+RT進(jìn)行特征分解，得到矩陣V′、Σ′和V′T3個(gè)矩陣，最后得到最佳的Nystr?m近似。

本文主要工作如下：

1)標(biāo)志點(diǎn)的選取影響著對(duì)偏好特征的選擇。為了提高采樣后的Nystr?m方法的精確度，利用自適應(yīng)的采樣方法，即通過(guò)多次遍歷并及時(shí)更新抽樣概率，選取有代表性的標(biāo)志點(diǎn)，隨著遍歷次數(shù)的增加，采樣后的誤差會(huì)大大減小。與傳統(tǒng)的隨機(jī)抽樣相比，自適應(yīng)采樣的精度會(huì)明顯提高，同時(shí)也避免了隨機(jī)抽樣中標(biāo)志點(diǎn)選取的偶然性。要保證選取的標(biāo)志點(diǎn)盡可能包含項(xiàng)目的特征，本文設(shè)計(jì)了標(biāo)志點(diǎn)選取的算法，該算法跟傳統(tǒng)的算法相比，精度有了一定的提高。

2)本文中將標(biāo)準(zhǔn)的Nystr?m方法與QR分解相結(jié)合，解決了標(biāo)準(zhǔn)Nystr?m方法中內(nèi)部矩陣受到秩限制的問(wèn)題。本文中的算法還可以用來(lái)描述當(dāng)標(biāo)志點(diǎn)的數(shù)目超過(guò)目標(biāo)秩k時(shí)的最佳k近似，因此，本文提出的算法可以與任意標(biāo)志點(diǎn)選擇方法相結(jié)合來(lái)尋求最佳k近似。

3)在真實(shí)的觀眾對(duì)電影評(píng)分的數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了測(cè)試，該電影數(shù)據(jù)集中包含480 189個(gè)用戶，17 770部電影，根據(jù)觀眾對(duì)電影的評(píng)分結(jié)果進(jìn)行偏好特征的提取，并與其他算法如奇異值分解(Singular Value Decomposition, SVD)、行列組合(Column Union Row, CUR)、標(biāo)準(zhǔn)的Nystr?m方法、Nystr?m方法和正則奇異化分解(Regularized Singular Value Decomposition, RSVD)的組合(Nystr?m+RSVD)以及基于范例的低秩稀疏矩陣分解(Exemplar-based low rank sparse Matrix Decomposition, EMD)和QR分解的組合(EMD-QR)方法進(jìn)行了比較，并選取了凸數(shù)據(jù)集和非凸數(shù)據(jù)集進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面證明了本文所提出的算法的有效性。

1 相關(guān)工作

本章主要介紹了一些相關(guān)的定義和符號(hào)，為后面工作中要用到的定義和概念作了相應(yīng)的描述。

1.1 核矩陣

假設(shè)矩陣A=[a1,a2,…,an]∈Rm×n是一個(gè)n中包含n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的列矩陣。計(jì)算特征空間中的內(nèi)積用到“核函數(shù)”，它在原始空間上定義為:Bij=b(ai,aj)=〈Φ(ai),Φ(aj)〉,?i,j=1,2，…,n，其中，Φ:a|→Φ(a)是內(nèi)核誘導(dǎo)的特征圖。n個(gè)映射數(shù)據(jù)點(diǎn)的所有成對(duì)內(nèi)積存儲(chǔ)在核矩陣K∈Rn×n中，第(i,j)個(gè)條目是k(i;j)。高斯和多項(xiàng)式核矩陣是對(duì)稱(chēng)半正定核矩陣的兩個(gè)眾所周知的例子[7]。盡管在數(shù)據(jù)的非線性表示中內(nèi)核很簡(jiǎn)單，但是大規(guī)模數(shù)據(jù)集的內(nèi)核矩陣的計(jì)算和存儲(chǔ)卻很棘手[8]。核矩陣的內(nèi)存為O(n2)，內(nèi)存和計(jì)算成本都是以數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量的平方為尺度，而且在后續(xù)的學(xué)習(xí)過(guò)程中，核矩陣在計(jì)算上也需要花費(fèi)很大的成本。例如，核主成分分析(Kernel Principal Component Analysis, KPCA)算法需要計(jì)算核矩陣的特征值分解[9]，標(biāo)準(zhǔn)的算法需要的時(shí)間復(fù)雜度為O(n3)，且需要多次遍歷矩陣K。在其他的基于核的學(xué)習(xí)方法如核嶺回歸中，計(jì)算的時(shí)間復(fù)雜度為O(n3)。對(duì)于規(guī)模較大的矩陣，要充分考慮計(jì)算計(jì)算的時(shí)間復(fù)雜度。

1.2 奇異值分解

對(duì)于任意一個(gè)矩陣A∈m×n，A(j)(j=1，2，…，n)定義為A的第j列向量，相應(yīng)的A(i)(i=1，2，…，m)定義為A的第i行向量。可以將矩陣A分解為：

A=UΛV′

(1)

1.3 低秩矩陣近似

1.4 Nystr?m方法

Nystr?m方法首次被提出是用于解決近似積分特征函數(shù)的問(wèn)題，后來(lái)被用來(lái)處理低階近似的核心矩陣[12]。假設(shè)給定一個(gè)核函數(shù)k(·,·)以及具有底層分布的樣本集p(·)，Nystr?m方法旨在解決以下積分：

(3)

其中：φi(x)、λi分別是第i個(gè)特征值函數(shù)和關(guān)于p的k(·,·)算子的特征值[13]。假設(shè)輸入一個(gè)對(duì)稱(chēng)的半正定核矩陣K∈n×n。若矩陣的秩rank(K)=r≤n，即存在一個(gè)L∈n×n，使得K=LTL。Nystr?m方法的對(duì)象是對(duì)稱(chēng)的半正定矩陣，要使用Nystr?m方法，必須對(duì)原始的矩陣進(jìn)行預(yù)處理，將矩陣轉(zhuǎn)化為對(duì)稱(chēng)的半正定矩陣。本文中，利用采樣方法采取其中的c?n列來(lái)產(chǎn)生矩陣B的近似矩陣假設(shè)采樣的列數(shù)c已給定，重點(diǎn)是用自適應(yīng)方法選出其中的列。矩陣C表示由這些列組成的大小為n×c的矩陣，矩陣W是一個(gè)大小為c×c的矩陣，由這些相互正交的列與矩陣B相對(duì)應(yīng)的行組成。矩陣B是對(duì)稱(chēng)半正定矩陣[12]，因此，矩陣W也是對(duì)稱(chēng)半正定矩陣。一般的，矩陣B的行和列可以根據(jù)采樣后的結(jié)果重新排列，可以將矩陣B和C表示為:

(4)

(5)

其中:矩陣W是一個(gè)大小為c×c的矩陣，矩陣B21的大小為(n-c)×c，矩陣B22是一個(gè)大小為(n-c)×(n-c)的矩陣。

(6)

Nystr?m方法可以近似為矩陣K的前k個(gè)特征值(Σk)和特征向量(Uk)。

(7)

該近似將矩陣K的3個(gè)模塊重新組合，B22是矩陣K中W的Schur補(bǔ)。

(8)

矩陣W的SVD的時(shí)間復(fù)雜度是O(kc2)，矩陣乘C的時(shí)間復(fù)雜度是O(kcn)，因此整個(gè)Nystr?m近似的時(shí)間復(fù)雜度為O(kcn)。式(6)又可以表示為:

(9)

其中:

(10)

Nystr?m方法構(gòu)造矩陣Lnys的時(shí)間復(fù)雜度是O(pnc+c2k+nck)，其中構(gòu)造矩陣C和W的時(shí)間復(fù)雜度是O(pnc)。執(zhí)行矩陣W的部分特征值分解的時(shí)間復(fù)雜度為O(c2k)，而矩陣乘法CVk的時(shí)間復(fù)雜度為O(nck)。因此，對(duì)于k

2 自適應(yīng)Nystr?m方法

與標(biāo)準(zhǔn)的Nystr?m方法不同，自適應(yīng)的Nystr?m是在標(biāo)準(zhǔn)Nystr?m方法上作的進(jìn)一步改進(jìn)，即每次采樣后，都將剩余列的概率按照降序排列，取其概率較大的列，能盡可能地表示原始矩陣，改進(jìn)后的Nystr?m方法能夠與任意標(biāo)志點(diǎn)選取方法相結(jié)合，尋求給定秩數(shù)的最佳近似[14]。

2.1 自適應(yīng)采樣

Zhang等[20]提出了一種使用k均值聚類(lèi)產(chǎn)生質(zhì)心的信息列的算法，該算法已被證明具有良好的精度，這種算法的原理是使用樣本外擴(kuò)展來(lái)生成矩陣B的c個(gè)有代表性的列。經(jīng)過(guò)對(duì)k均值聚類(lèi)產(chǎn)生質(zhì)心的信息列的算法的改進(jìn)，提出了一種具有較強(qiáng)理論基礎(chǔ)(自適應(yīng))的抽樣算法，該方法要求在每次迭代中遍歷矩陣B，這樣可以提高采樣的精度。

定理1 自適應(yīng)采樣。假設(shè)給定任意一個(gè)矩陣A∈m×n，從其中選取一系列的列向量來(lái)構(gòu)造矩陣S，則每次采樣都遵循以下分布，第i列被選擇的概率可以表示為：

(11)

其中：A(i)來(lái)表示矩陣A的第i列。

根據(jù)定理1可以設(shè)計(jì)一個(gè)高效的采樣算法，但是該算法有一個(gè)特點(diǎn)，首先要對(duì)原始矩陣進(jìn)行遍歷，得到其原始分布概率，然后根據(jù)得到的各列的概率進(jìn)行采樣。

隨著采樣次數(shù)的增加，誤差會(huì)隨著遍歷次數(shù)的增加而減少，因此，多次遍歷對(duì)于稀疏矩陣的近似非常重要。

定理2 自適應(yīng)采樣的數(shù)學(xué)描述。假設(shè)S=S1∪S2∪…∪St表示對(duì)矩陣A的列進(jìn)行采樣后的結(jié)果，對(duì)于j=1,2，…,t，集合Sj表示的是對(duì)矩陣A的s列進(jìn)行采樣后的結(jié)果。第i列被選擇的概率可以表示為：

(12)

其中：E1=A，E1=A-πS1∪S2∪…∪Sj-1(A)，其中πS(A)表示的是A在S的生成空間上的投影。

自適應(yīng)采樣方法對(duì)稀疏矩陣較為重要，當(dāng)采樣的矩陣較為稀疏時(shí)，尤其是像觀眾對(duì)電影評(píng)分這樣的大規(guī)模的稀疏數(shù)據(jù)，采用這種方法可以降低計(jì)算的復(fù)雜度，提高運(yùn)算效率。

2.2 自適應(yīng)Nystr?m采樣

與固定采樣不同，自適應(yīng)采樣在每次選擇完一組樣本后，都會(huì)更新所有樣本的概率[21]，最終產(chǎn)生最佳的k秩近似。其基本思想是從列的初始分布開(kāi)始，從矩陣B中選擇s

2.3 改進(jìn)的通過(guò)QR分解的Nystr?m方法

對(duì)于一個(gè)大小為n且標(biāo)志點(diǎn)數(shù)目為c的數(shù)據(jù)集而言，矩陣C∈n×c和矩陣W∈c×c被重新構(gòu)造，形成低秩近似矩陣n×n。雖然最終的目標(biāo)是找到一個(gè)秩數(shù)不超過(guò)k的近似值，但是通常要選擇c>k個(gè)有標(biāo)志性的點(diǎn)，然后限制所得到的近似秩最大值為k[24]，這樣做的好處是可以使得近似的精度較高。例如，近似誤差是通過(guò)c個(gè)有標(biāo)志性的點(diǎn)引起的總的量化誤差函數(shù)。很顯然，標(biāo)志點(diǎn)選取的數(shù)目越多，總的量化誤差就會(huì)越小，這樣就可以提高k秩近似的質(zhì)量。因此，選取一種有效而精確的方法對(duì)矩陣來(lái)講是非常重要的。

(13)

其中：第2個(gè)等號(hào)中是將矩陣C∈n×c進(jìn)行了QR分解，即C=QR，其中矩陣Q∈n×c，R∈c×c；而第3個(gè)等式中是對(duì)矩陣RW+RT進(jìn)行特征值分解，即RW+RT=V′Σ′V′T，其中，對(duì)角矩陣Σ′∈c×c包含主對(duì)角線上按照降序分布的c個(gè)特征值，V′∈c×c則是相應(yīng)的特征向量。QV′∈c×c都是正交的，因?yàn)镼和V′都有正交的列:

(QV′)T(QV′)=V′T(QTQ)V′=V′TV′

(14)

為了產(chǎn)生標(biāo)志性的點(diǎn)，首先要產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)矩陣H∈n×n，即兩者出現(xiàn)的概率相同，均為0.5。通過(guò)計(jì)算矩陣HB來(lái)找到其低維框架標(biāo)準(zhǔn)的矩陣的乘法時(shí)間復(fù)雜度為O(n3)。矩陣的乘法可以并行執(zhí)行，這樣都可以顯著加速。然后，對(duì)投影后的低維矩陣進(jìn)行k-means聚類(lèi)，將數(shù)據(jù)集進(jìn)行分割:

(15)

具體的算法如下：

算法1 基于Nystr?m方法的聚類(lèi)。

輸入：用戶-電影的評(píng)分矩陣A∈Rm×n，標(biāo)志點(diǎn)的數(shù)目c；

1)

調(diào)用算法2得到相似矩陣B;

2)

調(diào)用算法3得到采樣后的矩陣C;

3)

調(diào)用算法4得到主要的特征值和特征向量;

4)

產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)符號(hào)矩陣H;

5)

6)

利用式(15)計(jì)算原始空間中的樣本均值;

7)

Z=[z1,z2,…,zm]∈p×c;

8)

返回：C∈Rm×c。

算法2 求相似矩陣B。

輸入：用戶-電影的評(píng)分矩陣A；

1)

輸入用戶-電影數(shù)據(jù)集A;

2)

returnB;

其中，X=x1,x2,…,xn∈Rn，表示的是觀眾對(duì)電影感興趣的屬性個(gè)數(shù)，樣本的協(xié)方差矩陣為M。根據(jù)距離公式，可以將觀眾對(duì)電影的評(píng)分矩陣轉(zhuǎn)化為用戶(電影)與用戶(電影)的相似度矩陣，即對(duì)稱(chēng)的半正定矩陣。

算法3 基于自適應(yīng)Nystr?m采樣方法。

輸入:用戶-用戶的相似度矩陣B，采樣的列數(shù)c，每次遍歷的列數(shù)s；

輸出:采樣后的矩陣C。

步驟1 初始化抽樣點(diǎn)的索引的集合B;

步驟2 對(duì)于i∈[1,2,…,t]，repeat:

1)Pi← ADAPTIVE-SAMPLING(S);

2)根據(jù)pi選取的索引構(gòu)造Bi;

3)將得到的B∪Bi重新賦值給B;

ADAPTIVE-SAMPLING(S);

①選出與B中相對(duì)應(yīng)的矩陣的列，構(gòu)造矩陣C;

②計(jì)算矩陣C的左奇異向量UC;

④每個(gè)j∈[1,2,…,c];

repeat:1)若j∈S，則pj=0;

步驟3 更新抽樣點(diǎn)的抽樣概率p/‖p‖2;

return 概率集合p和采樣后的矩陣C;

算法4 通過(guò)QR分解的Nystr?m。

輸入：采樣后的矩陣C,核函數(shù)f，目標(biāo)秩k；

1)

對(duì)矩陣C執(zhí)行QR分解:C=QR;

2)

計(jì)算特征值分解:RW+RT=V′Σ′V′T;

3)

(16)

特征點(diǎn)Z∈p×c的整個(gè)估計(jì)核矩陣的k個(gè)主要的特征值和特征向量的時(shí)間復(fù)雜度為O(pnc+nc2+nck)，其中O(pnc)表示組成矩陣C和W的時(shí)間復(fù)雜度，而QR分解的時(shí)間復(fù)雜度是O(nc2)，計(jì)算RW+RT的時(shí)間復(fù)雜度是O(n3)，計(jì)算矩陣乘法的時(shí)間復(fù)雜度則是O(nck)。

3 算法求解實(shí)例

舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，如核矩陣是一個(gè)3×3的矩陣:

假設(shè)對(duì)核矩陣進(jìn)行均勻采樣，采樣的列為c=2，假設(shè)采樣的列為第1列和第3列，即:

在標(biāo)準(zhǔn)的Nystr?m方法中，首先要計(jì)算的是內(nèi)部矩陣W的最佳近似。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的Nystr?m方法的計(jì)算公式，可以得到:

可以計(jì)算矩陣C的QR分解，即C=QR

計(jì)算RW+RT并得到其特征值和特征向量，即RW+RT=V′Σ′V′T:

對(duì)于相同的秩，Nystr?m與QR分解相結(jié)合得到的最佳近似矩陣的精度較高。

4 算法的評(píng)價(jià)

4.1 算法的優(yōu)越性

本文采用的是改進(jìn)的Nystr?m方法，即對(duì)Nystr?m中的矩陣C進(jìn)行QR分解，得到矩陣Q和R，然后利用得到的R以及Nystr?m方法中的內(nèi)部矩陣W+，得到矩陣RW+RT，并對(duì)其進(jìn)行奇異值分解，利用矩陣V′、Σ′和V′T3個(gè)矩陣，最后根據(jù)式(13)得到最佳的Nystr?m近似。這樣做的好處是:

1)算法的時(shí)間復(fù)雜度降低。首先將觀眾對(duì)電影的評(píng)分矩陣運(yùn)用馬氏距離轉(zhuǎn)化為觀眾與觀眾或者電影與電影之間的相似度矩陣，然后利用Nystr?m方法的特性，即Nystr?m的對(duì)象是對(duì)稱(chēng)的半正定矩陣，對(duì)相似度矩陣B進(jìn)行自適應(yīng)采樣，相對(duì)于原始的觀眾對(duì)電影的評(píng)分矩陣來(lái)說(shuō)，從規(guī)模上大大地減小了，因此，該方法從計(jì)算效率上來(lái)說(shuō)，有了較明顯的改善。

2)算法的空間復(fù)雜度降低。本文是對(duì)矩陣B進(jìn)行了自適應(yīng)采樣，由于Nystr?m方法的特性，只需要對(duì)其中的列進(jìn)行采樣即可，相對(duì)于CUR中需要同時(shí)采樣數(shù)據(jù)的行和列，本文所提出的算法的計(jì)算復(fù)雜度降低了，同時(shí)也將原始的高維數(shù)據(jù)降低到一個(gè)低維的子空間中，因此，在一定程度上也解決了大規(guī)模矩陣溢出的問(wèn)題。

3)精度提高。相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的Nystr?m方法，改進(jìn)后的算法對(duì)矩陣C進(jìn)行了QR分解，利用矩陣R以及矩陣W的偽逆，得到一個(gè)新的矩陣RW+RT，并對(duì)其進(jìn)行SVD，相對(duì)于直接對(duì)觀眾對(duì)電影的評(píng)分矩陣進(jìn)行SVD，采樣后的矩陣更能表示觀眾或電影的特征，因此，經(jīng)過(guò)改進(jìn)的Nystr?m方法的精度有了較大的提高。

4.2 算法的時(shí)間復(fù)雜度分析

定理1 算法的時(shí)間復(fù)雜度。算法時(shí)間復(fù)雜度為:O(nc2)，其中k為矩陣的秩，c表示的是采樣的列數(shù)，n表示原始大矩陣的規(guī)模。

證明 改進(jìn)后的Nystr?m方法與QR相結(jié)合的時(shí)間消耗主要有幾個(gè)方面：第一個(gè)是自適應(yīng)采樣的時(shí)間復(fù)雜度O(nc2+Mc)，其中，M表示相似矩陣B的中非零點(diǎn)的數(shù)目，k為矩陣的秩，c則表示的是采樣的列。另一個(gè)是形成矩陣W和C的時(shí)間復(fù)雜度O(nc2)，RW+RT特征值分解的時(shí)間復(fù)雜度為O(c3)，QR分解的時(shí)間復(fù)雜度為O(nc2),核矩陣的k個(gè)主要的特征值和特征向量的時(shí)間復(fù)雜度為O(pnc+nc2+nck)，最后是計(jì)算矩陣QV′的時(shí)間復(fù)雜度O(nck)，但是由于n?c>k，因此，總的時(shí)間復(fù)雜度為O(nc2)。

5 實(shí)驗(yàn)環(huán)境、結(jié)果與分析

本文采用真實(shí)的觀眾對(duì)電影的評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)集進(jìn)行測(cè)試，并將本文所提出的算法與已有的偏好特征提取算法(SVD、CUR、標(biāo)準(zhǔn)的Nystr?m方法、Nystr?m+RSVD、EMD-QR)進(jìn)行對(duì)比。

5.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本文中的所有實(shí)驗(yàn)都是在一臺(tái)8 GB DDR3內(nèi)存和主頻為2.8 GHz的Intel Pentium CPU的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的，計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)為Windows7 64 b，所有的實(shí)驗(yàn)所用的軟件為Matlab 7.0。由于實(shí)驗(yàn)中可能存在一些不確定因素，因此，每次實(shí)驗(yàn)都做了6次，取其平均值作為最后的結(jié)果。

5.2 實(shí)驗(yàn)中所用的數(shù)據(jù)集

該實(shí)驗(yàn)中所采用的數(shù)據(jù)集是由著名的電影公司Netflix提供的數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集中共包括480 189個(gè)用戶，17 770部電影總計(jì)100 480 507條評(píng)分記錄。觀眾對(duì)電影的評(píng)分的有限性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)集的稀疏性，且觀眾的類(lèi)型也相對(duì)較多，對(duì)不同電影的評(píng)分也各不相同，導(dǎo)致該數(shù)據(jù)集的規(guī)模相對(duì)較大，對(duì)該數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析，運(yùn)用傳統(tǒng)的特征提取方法效率較低，運(yùn)用本文提出的改進(jìn)的Nystr?m方法，對(duì)其進(jìn)行偏好特征的提取。

5.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為了說(shuō)明本文提出的改進(jìn)的Nystr?m方法的優(yōu)勢(shì)，將其與已有的算法進(jìn)行了比較。

1)CUR:CUR也是一種提取偏好特征的方法，但是相對(duì)于Nystr?m方法來(lái)說(shuō)，需要對(duì)矩陣的行和列采樣得到矩陣C，計(jì)算的復(fù)雜性會(huì)較高。由于Nystr?m方法的特殊性，只需要對(duì)矩陣的行或列采樣即可得到矩陣C，因此，相對(duì)來(lái)說(shuō)，計(jì)算的復(fù)雜度也會(huì)相應(yīng)降低，占用的空間相對(duì)較小。

2)SVD:SVD是一種普遍的矩陣分解技術(shù)，對(duì)于特征提取來(lái)說(shuō)，SVD是一種有效的方法，它能夠?qū)⒏呔S的數(shù)據(jù)降低到一個(gè)低維的子空間中，從而能降低對(duì)矩陣分析的復(fù)雜性，但是對(duì)于觀眾對(duì)電影評(píng)分這樣的高維稀疏矩陣來(lái)說(shuō)，并不推薦SVD。

3)標(biāo)準(zhǔn)的Nystr?m方法:由于受到內(nèi)部矩陣秩的影響，導(dǎo)致整體的秩會(huì)受到限制。改進(jìn)的Nystr?m方法是在標(biāo)準(zhǔn)的Nystr?m方法上作了修改，在標(biāo)準(zhǔn)的Nystr?m方法上將矩陣的內(nèi)部矩陣進(jìn)行QR分解，利用分解后的矩陣重新構(gòu)造最佳的Nystr?m近似。

4)Nystr?m+RSVD:RSVD是SVD的一種推廣。在求解稀疏SVD的過(guò)程中需要進(jìn)行多次迭代，因此，算法的時(shí)間復(fù)雜度相對(duì)較高，與Nystr?m相結(jié)合后，雖然能夠降低矩陣分解的復(fù)雜性，但是對(duì)于大規(guī)模的矩陣來(lái)說(shuō)，并不推薦此方法。

5)EMD-QR:EMD算法首先要計(jì)算一個(gè)有代表性的數(shù)據(jù)子空間和一個(gè)近乎最優(yōu)的降序排序近似，然后通過(guò)獲得集群質(zhì)心和指標(biāo)進(jìn)行矩陣分解。EMD-QR在采樣時(shí)需要選擇行和列，因此，對(duì)于大規(guī)模的矩陣來(lái)說(shuō)，計(jì)算的時(shí)間復(fù)雜度也會(huì)有所增加。

5.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本文中首先將用戶對(duì)電影的評(píng)分矩陣轉(zhuǎn)化用戶與用戶的相似度矩陣，用自適應(yīng)采樣方法得到C，然后對(duì)矩陣C進(jìn)行QR分解，得到Q和R兩個(gè)矩陣，然后利用矩陣R和W重新構(gòu)造矩陣，并對(duì)構(gòu)造后的矩陣進(jìn)行SVD分解，得到V′、Σ′和V′T3個(gè)矩陣，然后利用得到的矩陣Q、V′和Σ′重新構(gòu)造最佳的Nystr?m近似。矩陣恢復(fù)的能力越好，則說(shuō)明該方法的精度越好。

從表1中可以看出，在同等條件下，即電影特征數(shù)量相同的條件下，可以看出與CUR、SVD、Nystr?m+RSVD、Nystr?m+EMD-QR以及標(biāo)準(zhǔn)的Nystr?m方法相比較，本文提出的與QR分解相結(jié)合的Nystr?m方法的近似誤差更小，所用時(shí)間也較小。RSVD算法中，需要進(jìn)行多次迭代，時(shí)間復(fù)雜度會(huì)較高[25]。EMD-QR算法中需要對(duì)行和列進(jìn)行采樣[26]。本文提出的方法是在標(biāo)準(zhǔn)Nystr?m方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，與標(biāo)準(zhǔn)Nystr?m方法不同的是，該方法是將Nystr?m方法的內(nèi)部矩陣C進(jìn)行QR分解，得到Q和R兩個(gè)矩陣，然后將矩陣R和標(biāo)準(zhǔn)Nystr?m方法中的矩陣W+相結(jié)合，得到重新組合后的矩陣RW+RT，并對(duì)其進(jìn)行分解。因此，與標(biāo)準(zhǔn)的Nystr?m方法相比較，得到最佳近似矩陣，矩陣的規(guī)模相對(duì)較少，用到的時(shí)間就會(huì)相應(yīng)減少，采樣用到的方法是自適應(yīng)采樣方法，因此近似誤差也會(huì)相應(yīng)地減小。與CUR方法相比較，CUR中的采樣方法用到的是統(tǒng)計(jì)影響力的方法，但是需要對(duì)矩陣的行和列同時(shí)進(jìn)行采樣，與Nystr?m方法的只需要對(duì)矩陣的列進(jìn)行采樣而言，用到的時(shí)間也會(huì)相應(yīng)減少。對(duì)于SVD，直接對(duì)原始的觀眾對(duì)電影的評(píng)分矩陣進(jìn)行SVD，由于原始的觀眾對(duì)電影的評(píng)分矩陣較為稀疏，得到的偏好特征的誤差也會(huì)較大，且由于原始矩陣規(guī)模較大，因此，用到的時(shí)間也會(huì)有所增加。Nystr?m+RSVD方法由于受到矩陣規(guī)模的影響，時(shí)間復(fù)雜度會(huì)較大，而Nystr?m+EMD-QR方法需要對(duì)行和列進(jìn)行采集，因此，對(duì)于大規(guī)模的矩陣也不推薦此方法。

表2中描述的是在不同的數(shù)據(jù)集上不同算法的精度，對(duì)于采取不同比例的樣本，各種方法上的精度各不相同。DCKFCM算法是在KFCM算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，k-means算法對(duì)于非凸數(shù)據(jù)集很實(shí)用[27]，但是對(duì)于非凸的數(shù)據(jù)集，如表2中的數(shù)據(jù)集，就不能采用k-means算法，因此，對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，得到DCKFCM算法。CURE算法雖然對(duì)傳統(tǒng)的方法進(jìn)行了改進(jìn)，但是由于這種方法采用的是隨機(jī)抽樣算法，因此，采樣的精度并不會(huì)很高，也會(huì)影響最后的結(jié)果。表2中的數(shù)據(jù)是非凸數(shù)據(jù)集，有些算法對(duì)數(shù)據(jù)有要求，即只針對(duì)凸數(shù)據(jù)集，因此本文中用非凸數(shù)據(jù)集進(jìn)行了比較。綜合表1和表2，本文中提出的算法既適用于凸數(shù)據(jù)集，同樣也適用于非凸數(shù)據(jù)集。

圖1中描述的是標(biāo)志點(diǎn)數(shù)目對(duì)不同方法的近似誤差的影響，可以看出，標(biāo)志點(diǎn)的數(shù)目越多時(shí)，近似誤差也會(huì)隨之減小。由于采樣后矩陣的規(guī)模會(huì)相應(yīng)減小，當(dāng)采樣的數(shù)目較少時(shí)，可能會(huì)失去原有矩陣的特性，導(dǎo)致近似誤差較高，因?yàn)橛^眾對(duì)電影評(píng)分的稀疏性，當(dāng)標(biāo)志點(diǎn)的數(shù)目較少時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)偶然性，但是對(duì)著標(biāo)志點(diǎn)數(shù)目的增加，采樣后的矩陣與原始矩陣的差距會(huì)進(jìn)一步減小，因此，隨著標(biāo)志點(diǎn)數(shù)目的增加，近似誤差也會(huì)相應(yīng)地減小。影響觀眾對(duì)電影評(píng)分的因素有很多，但是只有前k個(gè)特征對(duì)其影響較大，基本上可以代表用戶的特性，因此，當(dāng)標(biāo)志點(diǎn)的數(shù)目繼續(xù)增加時(shí)，對(duì)其近似誤差的影響也很小。

表1 各種方法的近似誤差和運(yùn)行時(shí)間

表2 不同算法在不同數(shù)據(jù)集不同比例樣本時(shí)的精度對(duì)比

圖1 各種算法與通過(guò)QR分解的Nystr?m方法的比較

圖2表示的是各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)中不同方法的時(shí)間比較圖，當(dāng)選取的標(biāo)志點(diǎn)的數(shù)目增加時(shí)，所用的時(shí)間也會(huì)增加。在一定范圍內(nèi)，隨著標(biāo)志點(diǎn)數(shù)目的增加，精度也會(huì)隨之提高，但是由于采樣方法的不同，獲取相同數(shù)目的標(biāo)志點(diǎn)所用的時(shí)間也不同：CUR中用到的是基于統(tǒng)計(jì)影響力的采樣，需要對(duì)矩陣的行和列同時(shí)進(jìn)行采樣，與Nystr?m只需要對(duì)其中的行和列進(jìn)行采樣相比，時(shí)間自然會(huì)增加；SVD是直接對(duì)原始矩陣進(jìn)行分解，因此，所用的時(shí)間最多；EMD-QR與Nystr?m相結(jié)合，雖然在一定程度上時(shí)間會(huì)相應(yīng)的減少，但是EMD-QR也需要對(duì)行和列進(jìn)行采樣，因此，所用的時(shí)間也比本文提出的方法多。

圖2 各種算法的時(shí)間比較

圖3表示的則是各種Nystr?m方法和本文中提出的與QR相結(jié)合的Nystr?m方法，當(dāng)選取的標(biāo)志點(diǎn)的數(shù)目相同時(shí)，各方法的精度也會(huì)有所不同，這是因?yàn)椴煌椒ǖ玫降臉?biāo)志點(diǎn)的過(guò)程不同，得到的標(biāo)志點(diǎn)的代表性也會(huì)有所差異，當(dāng)?shù)玫降臉?biāo)志點(diǎn)具有普遍代表性時(shí)，精度就會(huì)高。標(biāo)準(zhǔn)Nystr?m雖然提供了一種求解近似的方法，但是由于受到內(nèi)部矩陣的局限性，使其得到的最佳k秩近似不具有普遍性，只能得到與特定標(biāo)志點(diǎn)選取的方法相結(jié)合，但是改進(jìn)后的Nystr?m方法可以與任意標(biāo)志點(diǎn)選取的方法相結(jié)合，本文采用的自適應(yīng)采樣方法，即每次采樣后都要對(duì)概率進(jìn)行重新排布，可以有效地提高采樣的精度，得到的標(biāo)志點(diǎn)普遍性更高，精確度更高。

從圖4中可以看出，當(dāng)電影的特征數(shù)目相同時(shí)，相對(duì)于其他方法，本文提出的通過(guò)QR分解的Nystr?m方法的近似誤差較小，且隨著所提取的電影數(shù)量的增加，近似誤差會(huì)越來(lái)越小。本文的目的就是對(duì)電影的偏好特征進(jìn)行提取，因此，在影響觀眾對(duì)電影評(píng)分的前k個(gè)主要特征中，所提取的電影的特征越多，近似誤差就會(huì)越小。傳統(tǒng)的CUR方法采用的是基于統(tǒng)計(jì)影響力的采樣方法，即每一列所占的比重大小，雖然經(jīng)過(guò)采樣后，矩陣的規(guī)模會(huì)較少，計(jì)算的時(shí)間復(fù)雜度也會(huì)相應(yīng)減小，但是采樣方法的局限性，使得采樣后的矩陣不能保證其原始用戶的特征，即若某列中用戶看過(guò)的電影數(shù)量較少，但每次的評(píng)分卻較高，亦或是觀眾只對(duì)其中的某一類(lèi)電影感興趣，對(duì)其評(píng)分就會(huì)普遍偏高，以及某列中雖然觀眾看過(guò)的電影的數(shù)量相對(duì)較多，但每次的評(píng)分卻相對(duì)較小，采用統(tǒng)計(jì)影響力的結(jié)果是前者被選擇的概率可能會(huì)大于后者，顯然，這對(duì)于分析電影的特征是不利的，前者觀眾可能關(guān)注的是某一類(lèi)電影，而后者看的可能是多類(lèi)型的電影，而這些電影卻不是用戶真正感興趣的。而SVD中，則是直接對(duì)觀眾對(duì)電影的評(píng)分矩陣進(jìn)行分解，得到的雖然是電影的特征，但由于原始矩陣的規(guī)模較大，這種方法也顯然并不是最佳選擇。標(biāo)準(zhǔn)的Nystr?m方法中，由于針對(duì)的是內(nèi)部矩陣W+，要尋求其最佳k秩近似，因此就對(duì)矩陣進(jìn)行了限制。將Nystr?m與RSVD相結(jié)合，雖然采樣后的矩陣規(guī)模減小了，但是由于矩陣的稀疏性以及觀眾對(duì)電影評(píng)分帶有主觀性的特點(diǎn)，影響了該方法的使用。EMD-QR方法是針對(duì)低秩矩陣而言的，從中受到啟發(fā)，Nystr?m采樣的矩陣即為低秩矩陣，將Nystr?m與QR方法相結(jié)合，不僅能從時(shí)間復(fù)雜度上進(jìn)行改進(jìn)，精度也不會(huì)受到損害。

圖3 各種Nystr?m方法的精度的比較

圖4 不同電影特征下的近似誤差

6 結(jié)語(yǔ)

本文中描述了基于Nystr?m方法的偏好特征的提取，與傳統(tǒng)的Nystr?m方法不同，本文在標(biāo)準(zhǔn)的Nystr?m方法上作了進(jìn)一步的改進(jìn)，不再受內(nèi)部矩陣的限制，使得Nystr?m方法能與任意標(biāo)志點(diǎn)選擇方法相結(jié)合來(lái)尋求最佳k近似。這一點(diǎn)對(duì)于規(guī)模較大的稀疏矩陣來(lái)說(shuō)尤為重要，選取一定的標(biāo)志點(diǎn)能夠減小矩陣的規(guī)模，本文中采用的是自適應(yīng)的Nystr?m方法，在算法3中描述了該方法，與傳統(tǒng)的采樣方法相比較，該方法的精度要高于傳統(tǒng)的方法。算法4中進(jìn)一步說(shuō)明了經(jīng)過(guò)QR分解的Nystr?m近似，進(jìn)一步得到其特征的特征向量。用Nystr?m近似后能盡可能保留近似前的矩陣的特性，因此對(duì)于精度和效率都有一定的改進(jìn)。

未來(lái)工作包括:1)根據(jù)得到的用戶和電影的特征，對(duì)用戶感興趣的電影進(jìn)行推薦。2)本文中主要是對(duì)電影數(shù)據(jù)集進(jìn)行的測(cè)試，在未來(lái)的工作中會(huì)對(duì)更多的不同的數(shù)據(jù)集進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)一步驗(yàn)證特征提取的有效性。