【机器学习300问】55、介绍推荐系统中的矩阵分解算法是什么、有什么用、怎么用？

本来这篇文章我想先讲矩阵分解算法是什么东西的，但这样会陷入枯燥的定义中去，让原本非常有趣技术在业务场景中直观的使用路径被切断。所以我觉得先通过一个具体的推荐算法的例子，来为大家感性的介绍矩阵分解有什么用会更加合理。

如果你还不知道什么是推荐系统，不妨先花点时间看看我的另一篇文章：

【机器学习300问】45、什么是推荐系统？http://t.csdnimg.cn/DzgAx

一、矩阵分解算法有什么用

（1）理论上的作用

矩阵分解可以将一个高维、稀疏的矩阵转化为两个小的因子矩阵相乘。帮助我们理解矩阵的数据结构，减少数据的维度，同时揭示隐藏在数据中的潜在结构或模式。

（2）为什么要用矩阵分解算法进行推荐呢？

在推荐系统中，矩阵分解主要用于解决用户-物品交互矩阵的稀疏性问题。原始的用户-物品评分矩阵通常非常稀疏，这是因为大多数用户只对少数物品进行了评分，大部分元素为空。通过矩阵分解，我们可以找到每个用户和每个物品的一组隐含特征向量，这些特征向量捕捉了用户偏好和物品属性的本质特征。通过重构矩阵，算法可以在没有实际评分的情况下预测用户对未尝试物品的可能评分，从而实现个性化推荐。

（3）实际上的作用

在这里，我们用歌曲推荐系统为例，让我带大家进一步了解矩阵分解在其中发挥的巨大作用。假设有个听歌平台找到了我们，要我们给它开发一个推荐系统，它告诉我们现在平台上有1个亿的用户，100万首歌。

如果用之前基于用户的协同过滤和基于物品的协同过滤，这个矩阵得老大老大了！完全没办法计算！我给出了一个用户-歌曲矩阵的部分图片。可以看出这个矩阵是一个非常稀疏的矩阵，这是因为平台上每个用户可能给一些歌曲评过分，但大多数歌曲没有得到评分，因此这个评分矩阵将非常稀疏。行表示用户，列表示歌曲，每个元素的值代表用户给该歌曲的评分。缺失的值通常用0或一个预先设定的值如平均评分来代替。现在我们的目标就是预测空白值到底是多少？

之前不是说用户-物品交互矩阵太大了嘛！那么矩阵分解的思想将大的矩阵，拆解成两个小的矩阵，一个是User矩阵（给他个专业的名字叫用户隐向量矩阵 $U$ ），一个是Item矩阵（给他个专业的名字物品隐向量矩阵 $V$ ），那么大矩阵User-Item矩阵（给他个专业的名字叫 $D$ ）可以用公式来表达成 $D\approx UV^T$ 。放在我们这个例子中就是下图：

二、矩阵分解算法是什么

（1）定义

矩阵分解是指将一个大矩阵分解为两个或更多个较小的、具有特殊性质的矩阵的乘积形式。在推荐系统中常用的如奇异值分解（SVD）进行矩阵分解，将用户-物品评分矩阵 $D$ 近似分解为用户矩阵 $U$ 和物品矩阵 $V$ 的乘积，即 $D\approx UV^T$ 。其中还有个很关键的参数——隐向量维度 $k$ 。